–272

دما K T
حجم توده m Vagg
حجم مولار اکسیژن در نقطه جوش نرمال m/mol 25.6
کسر مولی اجزاء X
مختصه مکانی در دستگاه مختصات m Z
علائم یونانی نسبت شار مولی 
ضریب انتقال بار آند و کاتد c,a
ضخامت m 
تخلخل 
مدول تایلی 
افت ولتاژ v 
محتویات آب غشاء 
ویسکوزیته آب cP 
زاویه فاز هر جزء 
چگالی kg/m 
قابلیت هدایت الکترونی S/m 
پارامتر وابستگی 
ضریب استکیومتری 
زیرنویس‌ها و بالانویس‌ها مؤثر eff
تبادلی 0
بی‌بعد *
میانگین ¯
فعال‌سازی act
توده agg
کربن C
لایه کاتالیست CL
آیونومر i
آیونومر درون توده i,agg
محدود کننده L
جریان داخلی n
اکسیژن در سطح خارجی توده Ol
اکسیژن نفوذی در غشاء Oاکسیژن در سطح داخلی توده Osاکسیژن نفوذی در آب Ow
ذرات پلاتین – کربن Pt/C
واکنش‌دهنده R
مرجع ref
جامد s
اشباع sat
آب آند w,a
آب کاتد w,c
فصل اولمقدمه
23837903448685020000
مقدمهامروزه به دلیل بحران آلودگی‌هایزیستمحیطیناشی از مصرف سوخت‌هایفسیلیروش‌های پاک تولیدانرژی از اهمیتویژه‌ای برخوردار است. بشر به سبب افزایشآلودگی و کاهش منابع سوخت طبیعی مجبور به یافتن راه حلی شد که در اینفرآیند،تولیدانرژی از طریقهیدروژن کشف شد. در طی مطالعات و آزمایشاتی که برایتولیدانرژی از طریقهیدروژن انجام می‌گردیدوسیله‌ای که هیدروژن را به عنوان سوخت استفاده می‌کردپیلسوختینامیدند. سیستم‌هایپیل‌هایسوختی به عنوان یکی از گزینه‌هایتولیدانرژی پاک محسوب می‌شوند. توان تولید شده اینسیستم‌هایک گستره وسیعبین چند وات تا چند هزار کیلو وات را شامل می‌شود، به طوریکهاینسیستم‌هااز یک سوتامین کننده توان مورد نیازبراییکبیمارستان و یایک واحد ساختمانی به عنوان کاربرد ساکن، و از سویدیگرتامین کننده بخشی از توان مورد نیازیک فضا پیما، وسیلهنقلیه، لپ تاپ و یاحتی قلب مصنوعی به عنوان کاربردهای متحرک می‌باشند [REF _Ref333997665 h * MERGEFORMAT1]. دانشمندان معتقد بودند که هیدروژنمی‌تواند راه حلیکارآمدبرایتأمین بخشی ازنیازهایانرژیدنیا در آینده باشد. پیلسوختییکوسیله‌ای است که هیدروژن و اکسیژن را ترکیب کرده و آب و الکتریسیتهتولیدمی‌کند. انرژیتولید شده توسط پیلسوختیمی‌تواند در مصارف روزمره استفاده گردد.پیلسوختیمزایایبسیاری نسبت به وسایل مرسوم تولیدانرژی دارد از جمله این مزایا راندمان بالا،عدم ایجاد سر و صدا و آلودگیاست.
ساخت لایه‌های مختلف پیلسوختینظیرلایه‌های نفوذ گاز، صفحات دو قطبی، غشاء و لایهکاتالیستدشوار بوده و نیازمندفناوریپیشرفته‌ایمی‌باشد. چون در ساخت این لایهها از موادی نظیر فیبر بسیار نازک کربن، آیونومر، نفیون و ... استفاده میشود که فرآوری آنها نیازمند یک پروسه پیشرفته و دشوار میباشد و در انحصار کشورهای خاصی قرار دارد، همچنین مراحل ساخت برخی از این لایهها نظیر لایه کاتالیست که شامل فاز جامد، فاز غشاء و فضای خالی است بسیار پیچیده میباشد. بنابراین بدون انجام یکمدل‌سازی کامل از کل لایه‌هایپیلسوختی، ساخت یک تودهپیلسوختیکار دشواری خواهد بود.همچنین ممکن است پیل ساخته شده از نظر هزینه‌های تمام شده مقرون به صرفه نباشد. به منظور بررسیکارایی و عملکرد پیل‌هایسوختی،بایدلایههای مختلف یکپیلسوختی را مورد مطالعه قرار داده و شبیه‌سازی نمود. در اینپایان‌نامهمدل‌سازییکبعدی عملکرد یکپیلسوختی غشا پلیمری انجام می‌پذیرد، و تمامیلایه‌هایاینپیلسوختی تک سلولیشبیه‌سازیمی‌شوند. مدل ارائه شده برایلایهکاتالیست، مدل توده‌ایمی‌باشد. این مدل افت غلظت موجود در منحنیقطبیتپیل را که در چگالیجریان بالا اتفاق می‌افتد بدون اضافه کردن روابط نیمهتجربی مربوط به افت غلظت درستپیش‌بینیمی‌کندهمچنین در حالتی که اندازه تودهها به سمت صفر میرود(تودههای بسیار کوچک) این مدل به مدل همگن ساده میشود. لایه‌های نفوذ گاز نیزکه در دو طرف آند و کاتد پیل قرار دارند با استفاده از معادلات مربوط به نفوذ گازهای چند جزئی مدل شده‌اند. غشاء نیز با مدل کردن انواع مکانیزم‌های انتقال آب که در آن وجود دارد شبیه‌سازی شده است. عملکرد یکپیلسوختی توسط منحنی ولتاژ بر حسب چگالیجریانبیانمی‌شود. این عملکرد با کسر نمودن افت‌های مربوط به ولتاژ فعال‌سازی، اهمیک و غلظت از ولتاژ بازگشت‌پذیرپیل در یکچگالیجریان بدست می‌آید. سپس با تغییرچگالیجریان، منحنیجریان–ولتاژپیل بدست می‌آید. در اینپایان‌نامه معادلات حاکم بر عملکرد لایه‌های مختلف پیل (که ترکیبی از معادلات دیفرانسیل و معادلات جبریمی‌باشند) بدست آمده سپس این معادلات حل می‌گردد تا افت‌هایقید شده بدست آید. در انتها یکسری مطالعات پارامتری به منظور بررسیمیزانحساسیت تابع عملکرد به یکسریپارامترها انجام می‌پذیرد.
تاریخچهاگرچهپیلسوختیبهتازگیبهعنوانیکیازراهکارهایتولیدانرژیالکتریکیمطرحشدهاستولیتاریخچهآنبهقرننوزدهمو کاردانشمندانگلیسیویلیامگروبرمی‌گردد.اواولینپیلسوختیرادرسال۱۸۳۹باسرمشقگرفتنازواکنشالکترولیزآب،طیواکنشمعکوسودرحضورکاتالیستپلاتینساخت.
واژهپیلسوختیدرسال۱۸۸۹توسطلودویکمندوچارلزلنجربهکارگرفتهشد.آن‌هانوعیپیلسوختیکههواوسوختذغالسنگرامصرفمی‌کرد،ساختند.تلاش‌هایمتعددیدراوایلقرنبیستمدرجهتتوسعهپیلسوختیانجامشدکهبهدلیلعدمدرکعلمیمسئلههیچیکموفقیتآمیزنبود.علاقهبهاستفادهازپیلسوختیباکشفسوخت‌هایفسیلیارزانورواجموتورهایبخارکمرنگگردید.
فصلیدیگرازتاریخچهتحقیقاتپیلسوختیتوسطفرانسیسبیکنازدانشگاهکمبریجانجامشد.اودرسال۱۹۳۲بررویماشینساختهشدهتوسطمندولنجراصلاحاتبسیاریانجامداد.ایناصلاحاتشاملجایگزینیکاتالیستگرانقیمتپلاتینبانیکلوهمچنیناستفادهازهیدروکسیدپتاسیمقلیاییبهجایاسیدسولفوریکبهدلیلمزیتعدمخورندگیآنمی‌باشد.ایناختراعکهاولینپیلسوختیقلیاییبود، پیلبیکننامیدهشد.او۲۷سالتحقیقاتخودراادامهدادتاتوانستیکپیلسوختیکاملوکارا، ارائهنماید.بیکندرسال۱۹۵۹پیلسوختیباتوان۵کیلوواتراتولیدنمودکهمی‌توانستنیرویمحرکهیکدستگاهجوشکاریراتأمیننماید.
تحقیقاتجدیددراینعرصهازاوایلدهه۶۰میلادیبااوجگیریفعالیت‌هایمربوطبهتسخیرفضاتوسطانسانآغازشد.مرکزتحقیقاتناسادرپیتأمیننیروجهتپروازهایفضاییباسرنشینبود.ناساپسازردگزینههایموجودنظیرباتری(بهعلتسنگینی)،انرژیخورشیدی (بهعلتگرانبودن)وانرژیهسته ای (بهعلتریسکبالا)پیلسوختیراانتخابنمود.تحقیقاتدراینزمینهبهساختپیلسوختیپلیمریتوسطشرکتجنرالالکتریکمنجرشد.ایالاتمتحدهآمریکافناوریپیلسوختیرا در برنامه فضاییجمینیاستفادهنمودکهاولینکاربردتجاریپیلسوختیبود.پرتوویتنیدوسازندهموتورهواپیما،پیلسوختیقلیاییبیکنرابهمنظورکاهشوزنوافزایشطولعمراصلاحنمودهوآنرادربرنامهفضاییآپولوبهکاربردند.درهردوپروژهپیلسوختیبه عنوانمنبع برای تأمینانرژیالکتریکیبرایفضاپیمااستفادهشد[REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2]. امادرپروژهآپولوپیلهایسوختیبرایفضانوردانآبآشامیدنینیزتولیدمی‌کرد. پسازکاربردپیلهایسوختیدراینپروژه‌ها،دولت‌هاوشرکت‌هابهاینفنآوریجدیدبهعنوانمنبعمناسبیبرایتولیدانرژیپاکدرآیندهتوجهروزافزونینشاندادند.
ازسال۱۹۷۰فنآوریپیلسوختیبرایسیستم‌هایزمینیتوسعهیافت. تحریمنفتیازسال1973-1979 موجبتشدیدتلاشدولتمردانآمریکاومحققیندرتوسعهاینفنآوریبهجهتقطعوابستگیبهوارداتنفتیگشت.
درطولدهه۸۰تلاشمحققین، در جهتتهیهموادموردنیاز، انتخابسوختمناسبوکاهشهزینهاستواربود.همچنیناولینمحصولتجاریجهتتأمیننیرویمحرکهخودرودرسال۱۹۹۳توسطشرکتبلاردارائهشد [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
تاریخچهپیلسوختیPEMفنآوریپیلسوختیپلیمریدرسال۱۹۶۰درشرکتجنرالالکتریکتوسط گروب و نیدرچابداعشد. اولینموفقیتجنرال الکتریکدرتولیدپیلسوختیپلیمریدراواسطدهه۱۹۶۰درپیهمکاریاینشرکتباکمیتهنیرویدریاییآمریکا و رسته مخابرات ارتش آمریکابهمنظورساختمولدهایکوچکبرقبود. اینمولدهاباسوختهیدروژنتولیدیازترکیبآبوهیدریدلیتیمتغذیهمی‌شدند. پیلسوختیتهیهشدهکوچکوقابلحملبودودرآنازکاتالیستگرانقیمتپلاتیناستفادهشدهبود[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].
دربرنامههایفضاییمرکوریازباتریبهعنوانمنابعتأمینانرژیاستفادهشدولیبرایپروژهآپولونیازبهوسیلهایباطولعمربیشتربود. لذابرایاینمنظورپیلهایسوختیپلیمریساختشرکتجنرالالکتریکموردتستوآزمایشقرارگرفت.ناسادرپروازهایفضاییبعدیخودازپیلسوختیقلیاییاستفادهنمود.
شرکتجنرالالکتریکفعالیتخودرادردهه۱۹۷۰باتوسعهفناوریالکترولیزجهتتجهیزاتزیردریاییباحمایتواحدتولیداکسیژننیرویدریاییآمریکاآغازنمود. ناوگان سلطنتیانگلیسیدراوایلدهه۱۹۸۰اینفناوریرابرایناوگانزیردریاییخودپذیرفت. دراوایلدهه۱۹۹۰سایرگروه‌هانیزتحقیقاتدراینزمینهراآغازنمودند.آزمایشگاهملیلوسآلاموسودانشگاهتگزاسروش‌هاییراجهتکاهشمیزانکاتالیستموردنیازآزمایشنمودند [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
مزایا و معایبپیلسوختیعمدهترینمزایایپیل‌هایسوختی به شرح زیر هستند:
پیلسوختیآلودگیناشیازسوزاندنسوخت‌هایفسیلیراحذفنمودهوتنهامحصولجانبیآنآب و گرمامی‌باشد.
درصورتیکههیدروژنمصرفیحاصلازالکترولیزآبباشدنشرگازهایگلخانه‌ایبهصفرمی‌رسد.
به دلیلوابستهنبودنبهسوخت‌هایفسیلیمتداولنظیربنزینونفت،وابستگیاقتصادی،کشورهایجهان سومراحذفمی‌کند[REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
بانصبپیلهایسوختینیروگاهیکوچک،شبکهغیرمتمرکزنیروگستردهمی‌گردد.
پیل‌هایسوختیراندمانبالاترینسبتبهدستگاه‌هایاحتراقی استفاده کننده از سوخت‌هایفسیلیمتداولدارند.
هیدروژندرهرمکانی که حیات باشد (آب باشد) طی پروسه الکترولیزازآبوبرقتولیدمی‌گردد. لذاپتانسیلتولیدسوخت،غیرمتمرکزخواهدشد [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
اکثرپیل‌هایسوختیدرمقایسهباموتورهایمتداولبسیاربیصداهستند.
انتقالگرماازپیل‌هایدماپایینبسیارکممی‌باشد،لذاآن‌هابرایکاربردهاینظامیمناسبخواهندبود.
زمانعملکردآن‌هاازباتری‌هایمتداولبسیارطولانی‌تراست، مثلاًفقطبادوبرابرنمودنسوختمصرفیمی‌توانزمانعملکردرادو برابرنمودونیازیبهدوبرابرکردن اندازهخودپیلنمی‌باشد.
به علتعدموجوداجزایمتحرکهزینهتعمیر و نگهداریازآن‌هابسیارکماست.
نصبوبهرهبرداریازپیل‌هایسوختیبسیارسادهومقرونبهصرفهمی‌باشد.
اینمولدهاقابلیتتولیدهمزمانبرقوحرارترادارند.
عمدهترینمعایبپیل‌هایسوختی:
تبدیلهیدروکربنبههیدروژنازطریقمبدلهنوزباچالش‌هاییروبروستوهنوزفنآوری کاملاًپاکنمی‌باشد.
پیل‌هایسوختیازباتری‌هایمتداولسنگین‌ترهستندومحققیندرپیکاهشوزنآن‌هامی‌باشند.
تولیدپیلسوختیبدلیلنداشتنخطتولیدهنوزگراناست.
برخیپیل‌هایسوختیازموادگرانقیمتاستفادهمی‌کنند.
اینفنآوریهنوزکاملاًتوسعهنیافتهومحصولاتکمیازآنموجوداست.
شناخت کلیپیلسوختیپیلسوختینوعیوسیلهالکتروشیمیاییاستکهانرژیشیمیاییحاصلازواکنشرامستقیماًبهانرژیالکتریکیتبدیلمی‌کند.سازهوبدنهاصلیپیلسوختیازالکترولیت،الکترودآندوالکترودکاتدتشکیلشدهاست. نمایکلییکپیلسوختیبههمراهگازهایواکنشدهندهوتولیدشدهومسیرحرکتیون‌ها و الکترون‌هادر REF _Ref331172597 h * MERGEFORMAT شکل‏11ارائهشدهاست.
پیلسوختییکدستگاهتبدیلانرژیاستکهبهلحاظنظریتازمانیکهمادهاکسیدکنندهوسوختدرالکترودهایآنتأمینشوندقابلیتتولیدانرژیالکتریکیرادارد.البتهدرعملاستهلاک،خوردگیوبدعملکردناجزایتشکیلدهنده،طولعمرپیلسوختیرا کاهشمی‌دهد.
دریکپیلسوختی،سوختبهطورپیوستهبهالکترودآندواکسیژنبهالکترودکاتدتزریقمی‌شودوواکنش‌هایالکتروشیمیاییدرالکترودهاانجامشدهوباایجادپتانسیلالکتریکیجریانالکتریکیبرقرارمی‌گردد. اگرچهپیلسوختیاجزاءوویژگی‌هایمشابهیکباتریرادارداماازبسیاریجهاتباآنمتفاوتاست. باترییکوسیلهذخیرهانرژیاستوبیشترینانرژیقابلاستحصالازآنبهوسیلهمیزانمادهشیمیاییواکنشدهندهکهدرخودباتریذخیرهشدهاست (عموماًدرالکترودها)تعیینمی‌شود. چنانچهمادهواکنشدهندهدرباتریکاملاًمصرفشود،تولیدانرژیالکتریکیمتوقفخواهدشد (باتریتخلیهمی‌شود).درباتری‌هاینسلدوممادهواکنشدهندهباشارژمجدد،دوبارهاحیامی‌شودکهاینعملمستلزمتأمینانرژیازیکمنبعخارجیاست. دراینحالتنیزانرژیالکتریکیذخیرهشدهدرباتری،محدودووابستهبهمیزانمادهواکنشدهندهدرآنخواهدبود.
گازاکسیدکنندهنظیرهوایااکسیژنخالصدرالکترودکاتدکهباصفحهالکترولیتدرتماساستجریانپیدامی‌کند.بااکسیداسیونالکتروشیمیاییسوختکهمعمولاًهیدروژناستوبااحیاءاکسیدکننده، انرژیشیمیاییگازهایواکنشگربهانرژیالکتریکیتبدیلمی‌شود.
ازنظرتئوری،هرمادهایکهبهصورتشیمیاییقابلاکسیدشدنباشدوبتوانآنرابهصورتپیوسته (بهصورتسیال) بهپیلسوختیتزریقکرد،می‌تواندبهعنوانسوختدرالکترودآندپیلسوختیمورداستفادهقرارگیرد.بهطورمشابهمادهاکسید کنندهسیالیاستکهبتواندبانرخمناسبیاحیاء شود.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 1:شماتیکطریقه عملکرد پیلسوختیPEM [REF _Ref334005828 h * MERGEFORMAT3].در پیل سوختی پلیمری گازهیدروژنبهعنوانسوختایدهآلمورداستفادهقرارمی‌گیرد.هیدروژنرا می‌توانازتبدیلهیدروکربن‌هاازطریقواکنشکاتالیستی،تولیدوبهصورت‌هایگوناگونذخیرهسازیکرد. اکسیژنموردنیازدرپیلسوختی را میتوانبهطورمستقیمازهواتهیهنمود.بررویسطحالکترودهایآندوکاتدپیلسوختیواکنشاکسیداسیونواحیاءدرناحیهسهفازی (ودرصورتجامدبودنالکترولیتدوفازی) نزدیکسطحمشترکواکنشدهنده‌ها (فاز گاز)،کاتالیست (فاز جامد)والکترولیت(در برخی از پیلها فاز مایع و در برخی دیگر نظیر PEM فاز جامد) صورتمی‌گیرد. اینناحیه دویا سهفازینقشمهمیدرعملکردالکتروشیمیاییپیلسوختیبهویژهپیل‌هایسوختیباالکترولیتجامددارد. دراینگونهپیل‌هایسوختی،گازهایواکنشدهندهازمیانیکلایهنازکازالکترولیتکهسطحالکترودهایمتخلخلراپوشاندهاستعبورکردهوواکنشالکتروشیمیاییمناسبرویسطحالکترودمربوطهانجاممی‌شود.
چنانچهالکترودمتخلخلحاویمقادیربیشازحدالکترولیتباشدالکتروددر اصطلاحغرقشدهوبه اینترتیبانتقالالکترونهابهمکان‌هایواکنشمحدودمی‌شود.درنتیجهعملکردالکتروشیمیاییالکترودمتخلخلتضعیفمی‌شودلذاضروریاستکهدرساختارالکترودهایمتخلخلیکتعادلمناسببینالکترود،الکترولیتوفازگازیایجادشود.
تلاش‌هایاخیربر بهبودعملکردواکنشالکتروشیمیایی،کاهشهزینه‌هایتولید،کاهشضخامتاجزایپیلسوختیودرعینحالاصلاحوبهبودساختارالکترودهاوالکترولیتمتمرکزشدهاست. الکترولیتباهدایتیون‌هابینالکترودهاسببتکمیلمدارالکتریکیپیلسوختیمی‌شود. الکترولیتیکمانعفیزیکیبینسوختوگازاکسیژنایجادمی‌کندومانعاختلاطمستقیمآن‌هامی‌شود. از جمله وظایف مهمصفحاتالکترودمتخلخلدرپیلسوختیعبارتاند از:
1- ایجادیکسطحفعال کافیومناسبکهواکنش‌هایالکتروشیمیاییرویاینسطوحانجاممی‌شود.
2- هدایتیون‌هایحاصلازواکنشبهداخلیاخارجازناحیهتبادلسهفازیوانتقالالکترون‌هایتولیدیبهمدارخارجی(الکترودهابایدهدایتالکتریکیخوبیداشتهباشند).
3- انتقال واکنش دهندهها به سطوح انجام واکنش.
4- انتقال گرمای تولید شده در لایه کاتالیست کاتد به سیستم خنککاری پیل، بویژه برای پیلهای دما بالا.
برایافزایشسطحتماسواکنشدهنده‌هاباکاتالیستلازماستکهساختارالکترود،متخلخلبودهومیزانسطحدردسترس، وپوششدادهشدهتوسطکاتالیستنسبتبهحجمالکترود (مساحت در واحد حجم سطح مؤثر پلاتین)(m/m)زیادباشد. ساختارمتخلخل،دسترسیراحتاجزاءواکنشدهندهبهمراکزفعالراتسهیلمینماید.
نرخواکنش‌هایالکتروشیمیباافزایشدماافزایشپیدامی‌کند،لذاخاصیتکاتالیزوریالکترودهادرپیلهایسوختیدماپایینازاهمیتبیشتریدرمقایسهباپیلسوختیدمابالابرخورداراست. الکترودهایمتخلخلبایددرهردوطرفتماسباالکترولیتوگازهایواکنشدهنده،نفوذپذیرباشندتاحدیکهتوسطالکترولیتاشباعنشدهوبوسیلهگازهایواکنشدهندهخشکنشوند [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].

پیلسوختیPEMپیل‌هایسوختی غشاءمبادله‌گر پروتون (پلیمری) اولین بار در دهه 1960 برای برنامهجمینی ناسا استفاده شد. ایننوع پیل سوختی از نقطه نظر طراحی و کارکردیکی از جذاب‌ترین انواع پیلسوختی است. پیلسوختیپلیمریدارایالکترولیتپلیمری به شکلیک ورقه نازک منعطف است کههادییونهیدروژن(پروتون)می‌باشد و بین دو الکترود متخلخل قرار می‌گیرد. جهت کارایی مطلوب لازم است الکترولیت، از آب اشباع باشد. نفیونیکی از بهترینالکترولیت‌های مورد استفاده در این نوع پیل سوختی است. این غشاء کوچک و سبک است و در دمایپایین 80 درجه سانتی‌گراد(تقریباً 175 درجه فارنهایت) کارمی‌کند. در پیل سوختیپلیمریواکنشاحیاءاکسیژنواکنشکندتر است (اینواکنشپنج مرتبه کندتر از واکنشاکسید شدن هیدروژن است [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]). کاتالیست مورد استفاده در اینپیل سوختی اغلب از جنس پلاتین بوده و میزانکاتالیستمصرفی در الکترودهایاین نوع پیل سوختیبیشتر از سایر انواع پیل سوختی است.
بازدهالکتریکیاین نوع پیل سوختی بر اساس ارزش حرارتی پایین در حدود 40% تا 50% است [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. سوخت مصرفی در پیل سوختیپلیمرینیازمندهیدروژنتقریباً خالص است لذا مبدل در خارج پیل سوختی جهت تبدیلسوخت‌های متانول و یابنزین به هیدروژننیاز است.گسترهتوان تولیدیاین نوع پیل سوختیبیشتر از انواع دیگرپیل سوختی است. محدوده توان در این نوع پیل سوختیبین(1W الی 100kW) است[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. طول عمر پیش‌بینی شده برایپیل سوختیپلیمریبیش از 20000 ساعت است [REF _Ref334011700 h * MERGEFORMAT5].
در پیل سوختیپلیمری سوخت مورد استفاده هیدروژنمی‌باشد. مولکولهایهیدروژن در آند به یون‌های پروتون و الکترونیونیزه شده، و الکترون‌هااز پروتونها جدا می‌شوند. یون‌هایهیدروژنکه شامل بار مثبت هستند (پروتون) به یک سطح غشاء متخلخل نفوذ می‌کنند و به سمت کاتدمی‌روند. الکترون‌هاینمی‌توانند از این غشاء عبور کنندبلکه از یک مدار خارجی عبور کرده و موجب تولید برق می‌شوند. در کاتدالکترون‌ها، پروتون‌های و اکسیژن موجود در هوا با هم ترکیبمی‌شوند و مطابق REF _Ref331172597 h * MERGEFORMATشکل‏11 آب را تشکیلمی‌دهند.واکنش‌ها در الکترودها به شرح ذیلمی‌باشند:
(1- SEQ 1- * ARABIC1) واکنش سمت آند:
(1- SEQ 1- * ARABIC2) واکنش سمتکاتد:
(1- SEQ 1- * ARABIC3) واکنشکلیپیل:
واکنش سمت آند به مقدار خیلی کمی گرماگیر است و واکنش سمت کاتداین نوع پیل سوختی به دلیلدمایپایین به زمان کمیبرایراه‌اندازینیاز دارد و همینخصوصیتآن را بهترینگزینه در کاربردهایوسایلنقلیهبه عنوانجایگزینبرای موتور احتراق داخلیدیزلی و بنزینیمعرفیمی‌نماید. همچنیناینسیستم‌هاکاربریمناسبی در زمینهمولدهایخانگی، نیروگاهیکوچک، صنعت حمل‌ونقل و نظامی دارند [REF _Ref332024462 h * MERGEFORMAT2].
لایههایتشکیل دهنده پیلسوختی غشاء پلیمریهر یک از سلول‌هاییکپیلسوختی غشاء پلیمری از یکسریلایهتشکیل شده است، که در هر یک از اینلایه‌هافرآیندهایخاصی انجام می‌شود. در این قسمت به اختصار هر یک از لایههایپیل را معرفیمی‌کنیم، سپس در فصول بعد به تفصیلبه معرفیاینلایه‌ها و مدل‌سازیآن‌هامی‌پردازیم.
لایه نفوذ گازلایه‌هاینفوذگازیبهطورعمومیساختارمتخلخلبرمبنایکربندولایهدارند،شماییازلایهنفوذگازیبین کانال جریانولایهکاتالیستیدر REF _Ref331328151 h * MERGEFORMAT شکل ‏12نشاندادهشدهاست.لایهاوللایهنفوذگازی،یکساختارکربنیماکرومتخلخلباپارچه‌هایکربنیویاورقه‌هایکربنیاست.ساختارماکرومتخلخلبهعنوانجمعکنندهجریانعملمی‌کند.دومینلایه،لایهمیکرومتخلخلنازکیاستکهشاملپودرکربنوبرخیعواملآبگریزاست. اینلایهدرتماسبالایهکاتالیستاست.اینمیکرولایهمتخلخلازبروزطغیاندرلایهنفوذگازیجلوگیریکردهوتماسالکتریکیبینسطحولایهکاتالیستراافزایشمی‌دهد [REF _Ref332025360 h * MERGEFORMAT6].

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 2: شمایی از یک لایه نفوذ گازی دو لایه.لایهکاتالیستبرایافزایشنرخواکنش‌هایشیمیاییبهیکلایهکاتالیستاحتیاجاست. لایهکاتالیستتنهاجاییاستکهدرآنواکنش‌هایالکتروشیمیاییداخلپیلسوختیاتفاقمی‌افتدودربقیهنواحیپیلمانندکانال‌ها،لایه‌هایپخشگازوغشاءهیچواکنشالکتروشیمیاییاتفاقنمی‌افتد. درپیلسوختیهیدروژنیهردولایهکاتالیستکاتدوآندعموماًیکسانهستندوشاملیکفازهدایت‌کنندهیونبراینمونهنفیون، یکفازهدایت‌کنندهالکترونمعمولاًذراتکربن،حفره‌ها (تخلخل‌ها)کهازآن‌هاگازهایواکنشگرانتقالپیدامی‌کندویکفلزنجیب(فلزی که واکنش شیمیایی را تسهیل میکند) کاتالیستعموماًپلاتینهستند،تاواکنش‌هایالکتروشیمیاییراتسهیلکنند. دلیلدیگراستفادهازکربنایناستکهمساحتسطحتماسکاتالیستزیادشود.گازهایواکنشگرازلایهپخشگازواردلایهکاتالیستمی‌شوندوازمیانحفره‌هایموجوددرلایهکاتالیستپخشمی‌شوند.برایرسیدنبهپلاتینیعنیمحلانجامواکنش،واکنشگرهابایدمحلولشوندواینباردرمیانپلیمری (آیونومر)کهدانه‌هایکربنرااحاطهکرده‌اندپخشمی‌شوند.ایندانه‌هایکربنباپلاتینپوششدادهشده‌اندوبارسیدنگازهایواکنشگربهاینکربن‌ها،واکنشالکتروشیمیاییشروعمی‌شود. درواقعداخللایهکاتالیستدومسیرپخش وجود دارد، یکی نفوذ درمیانحفره‌هاودیگری نفوذدرونپلیمرمی‌باشد. افزایشمقاومتدرمقابلنفوذدرطولهرکدامازایندومسیر،عملکردلایهکاتالیستراکاهشمی‌دهد. REF _Ref331417729 h * MERGEFORMAT شکل ‏13نماییازلایهکاتالیسترانشانمی‌دهد.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 3: نماییازلایهکاتالیست.لایه کاتالیست یکی از پیچیده‌ترین اجزاء در پیل سوختیمی‌باشد، به همین دلیل در مدل‌سازی لایه کاتالیست، مدل‌های مختلفی در دهه‌های اخیر با درجات مختلفی از دقّت و جزئیات ارائه شده است. که از آن جمله می‌توان به روش‌های لایه نازک، همگن و توده‌ای اشاره کرد. در سال‌های اخیر دو روش همگن و توده‌ای بیشتر مورد توجّه بوده است.
در روش لایه نازک، لایه کاتالیست به صورت یک سطح مشترک بین لایه نفوذ گاز و غشاء مدل می‌شود. این روش در حقیقت ساختار درونی لایه کاتالیست را بررسی نمی‌کند، و تنها رابطه‌ای بین افت فعال‌سازیو چگالی جریان پیل (رابطه تافل) ارائه می‌دهد.در فصل سوم مفصل‌تر این رابطه ارائه می‌شود. به طور کلی این مدل هنگامی استفاده می‌شود که هدف مطالعه، بررسی رفتار لایه کاتالیست نمی‌باشد، بلکه بررسی رفتار لایه های دیگر پیل مدّ نظر است.
روش همگن یکی از روش‌های متداول بررسی لایه کاتالیست می‌باشد. در این روش فرض می‌شود که تمامی اجزاء تشکیل‌دهنده لایه کاتالیست به صورت کاملاً یکنواخت و همگن در سرتاسر لایه کاتالیست توزیع شده‌اند، این بر خلاف مدل توده‌ای است. در مدل توده ای ذرات پلاتین بر روی ذرات کربن پایه ریزی می‌شوند، سپس با تجمع تعدادی از این ذرات کربن کنار یکدیگر، یک توده کروی شکل ایجاد می‌شود که درون آن پر از آیونومر می‌باشد. تفاوت این دو مدل، در نحوه پیش‌بینی منحنی قطبیّت پیل است. دلیل این تفاوت در منحنی قطبیت،خصوصاً در چگالی جریان‌های بالا در فصل دوم شرح داده می‌شود.
غشاءغشاءها بایستی دارای قابلیت زیادی برای عبور یون پروتون از خود باشند. آن‌ها شرایطی فراهم می‌آورند که گازهای ورودی به پیل سوختی از دو طرف با هم مخلوط نشوند. از لحاظ شیمیایی (خوردگی) و مکانیکی (استحکام) بایستی سازگار با شرایط عملکرد پیل سوختی باشند [REF _Ref332024936 h * MERGEFORMAT7]. غشاءیکه در پیل سوختی پروتونی بکار می‌رود، از پلیمری بنام پرفلئورو کربن-سولفونیک اسید ساخته می‌شود. بهترین ماده‌ی غشاء موسوم به نفیونمی‌باشد که دارای شاخه‌ی پروفلئورو-سولفیلفلئوراید-اتیل-پروپیل-وینیلمی‌باشد.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 4: شاخه پلیمری پرفلئوروسولفونیک اسید (Perfluorosulfonate). REF _Ref331339393 h * MERGEFORMAT شکل ‏14 زیر شاخه‌ی پلیمری پرفلئورو سولفونیت را برای نفیون نشان می‌دهد. انتهای شاخه، گروه اسید سولفونیک مشاهده می‌شود که شامل یون‌های پروتون H+ و می‌باشد. این ساختار شدیداً آب دوست است. این خاصیت در انتهای شاخه یعنی جاییکه اسید سولفونیک وجود دارد رخ می‌دهد. این خاصیت به غشاء اجازه می‌دهد که مقدار بسیار زیادی آب جذب نماید. یون پروتون از این ناحیه مرطوب عبور می‌کند و این کمیت را بهصورت قابلیت هدایت تعریف می‌کنند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].
انواع مختلف نفیون را با حرف N و با سه یا چهار رقم به فرمN---- نشان می‌دهند، دو رقم اوّل وزن معادل را تقسیم بر صد نشان می‌دهد و دو رقم بعدی ضخامت غشاء را بر حسب میل نشان می‌دهد [REF _Ref332025524 h * MERGEFORMAT8]. قابل ذکر است که: . نفیونهای موجود در بازار دارای ضخامتهای 2، 3.5، 5، 7 و 10 میل میباشند. به عنوان مثال N117 دارای وزن معادل 1100 g/eqو ضخامت 7 میل (0.178 mm) میباشد.وزن معادل هر ماده برابر است با جرمی از آن مادهکه یک مول پروتون (H+) را تامین میکند، یا با یک مول پروتون در یک واکنش پایه اسیدی واکنش میدهد.
عملکرد پیلسوختیعملکرد یکپیلسوختی را می‌توان از طریق نمودار ولتاژ–چگالی جریان آن بررسی و تحلیل کرد. این نمودار که منحنی ولتاژ-چگالیجریاننامیدهمی‌شود، خروجی ولتاژ یکپیلسوختی را در یک چگالیجریانورودی نشان می‌دهد.این نمودار، منحنیقطبیتنیز نامیدهمی‌شود که در REF _Ref331172664 h * MERGEFORMAT شکل ‏15آن را مشاهده می‌کنید. محور افقیچگالیجریان، یعنیجریان بر واحد سطح پیل را نشان می‌دهد. به کار بردن چگالیجریان به ایندلیل است که یکپیل با ابعاد بزرگ‌تر مقدار الکتریسیتهبیشتری از یکپیلکوچک‌ترتولیدمی‌کند در نتیجهمنحنی‌هایقطبیت با سطح پیلسوختی نرمال سازیمی‌شوند تا قابل مقایسه با یکدیگر باشند.
REF _Ref331172664 h * MERGEFORMAT شکل ‏15منحنیقطبیت را که دارای چهار ناحیهافتجریانداخلی، افتفعال‌سازی، افتاهمیک و افت انتقال جرم که توسط افت‌های موجود در پیلسوختی مورد تأثیر قرار گرفته‌اند را نشان می‌دهد. افتفعال‌سازی در ناحیه افتفعال‌سازیمنحنیقطبیت، غالب است. سینتیک الکترود،ناحیه مربوط به افتفعال‌سازی را کنترل می‌کند. افتناحیهاهمیک در منحنیقطبیت به سبب مقاومت‌هایپروتونیک و الکترونیک موجود در پیلسوختیمی‌باشد. افت غلظت بیشترین مقدار خود را در انتهایمنحنیقطبیت (یعنیناحیه‌ای که انتقال جرم واکنشگرها با مشکل مواجه است) دارد. در چگالیجریان‌های بالا، میزانواکنشگرهای مورد نیاز به مراتب افزایشمی‌یابد، این در حالی است که میزان آب تولیدینیززیادمی‌شود. اینمیزان آب مایعمی‌تواند سبب مسدود شدن مسیرهای عبور واکنشگرها شود (خصوصاً در پیلهای دما پایین)،این امر سبب افت غلظت واکنش‌دهنده‌هاشده و در پی آن افت ولتاژ را بوجود می‌آورد.

شکلSTYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 5:منحنیقطبیتیکپیلسوختی [REF _Ref334022735 h * MERGEFORMAT9].خروجیولتاژواقعییکپیلسوختی کمتر از ولتاژ ایده آل یا ولتاژ ترمودینامیکی است. ولتاژ خروجی از یکپیلسوختی بر روی توان کلیتولید شده تأثیرمی‌گذارد. چگالی توان تولید شده از پیلسوختی توسط حاصل ضرب ولتاژ در چگالی جریان (P=V.i) حاصل می‌شود. منحنیچگالی توان، چگالی توان خروجی را به صورت تابعی از چگالیجریانپیلسوختی نشان می‌دهد این منحنی در نتایج مدلسازی نظیر REF _Ref331174635 h * MERGEFORMATشکل ‏211 رسم شده است. چهار نوع اصلی افت در پیلسوختی (در نمودار قطبیتنیز نشان داده شده است) وجود دارند، که این چهار افت به این شرح هستند:
الف) افت فعال‌سازی
ب) افتجریانداخلی
ج) افتاهمیک
د) افت غلظت
افتفعال‌سازیعامل ایجاد افت فعال سازیکندیواکنش‌هایی است که روی سطوح الکترودها رخ می‌دهد. در نتیجهقسمتی از ولتاژ تولیدی صرف غلبه بر انرژیفعال‌سازی واکنش شیمیایی و به راه انداختن واکنش می‌شود. افت فعال‌سازی را با η نشان می‌دهند. در سال 1905 تافل مشاهده کرد که افت فعال‌سازی موجود در هر یک از الکترودها با لگاریتمچگالیجریانتقریباً رابطه خطی دارد، به طوریکه مقدار این افت تا یکچگالیجریان خاص که چگالیجریانتبادلیپیلنامیده شد صفر است، چگالیجریانتبادلی، i0، را می‌توانچگالیجریانی در نظر گرفت که افت ولتاژ فعال‌سازی از صفر شروع به تغییرمی‌کند. روند تغییراتاین افت بر حسب لگاریتمچگالیجریان عمدتاً به صورت خطی است که در REF _Ref331172831 h * MERGEFORMAT شکل ‏16برای دو نمونه نشان داده شده است.

شکل STYLEREF 1 s‏1SEQ شکل_ * ARABIC s 1 6: نمودار تافل برایواکنش‌هایالکتروشیمیاییسریع و کند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].تافل این نمودار را با معادله زیرتقریب زد:
(1- SEQ 1- * ARABIC4)
در معادله REF _Ref330209497 h * MERGEFORMAT (1- 4)، i0، چگالیجریانتبادلی و aشیب خط تافل هستند که به الکتروشیمی واکنش بستگی دارند [REF _Ref332025607 h * MERGEFORMAT11].همین‌طور که در REF _Ref331172831 h * MERGEFORMAT شکل ‏16مشاهدهمی‌شود هر چه واکنش سریع‌تر انجام شود شیبمنحنی تافل به مراتب کمتر می‌شود و با توجه به رابطه REF _Ref330209497 h * MERGEFORMAT (1- 4)میزان افت فعال‌سازی برای یک چگالی جریان ثابت کاهش می‌یابد.چگالیجریانتبادلی، i، نیز در واکنش‌هایی که سریع‌تر اتفاق می‌افتد، بزرگ‌تر است، بنابراینمیزان افت فعال‌سازی در محدوده وسیع‌تری صفر خواهد بود[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. درپیلسوختیغشاء پلیمری، افت فعال‌سازی به طور عمده در سمت کاتد رخ می‌دهدزیراiدر واکنش آند چندین مرتبه (چهار - پنج مرتبه) نسبت به واکنش کاتد بزرگتر است، به عبارت دیگر واکنش اکسایش هیدروژن در لایه کاتالیست آند بسیار سریع‌تر از واکنش کاهش اکسیژن در لایه کاتالیست کاتد است [REF _Ref332025607 h * MERGEFORMAT11]. به همین علت اغلب در بررسی افت فعال‌سازی از افت فعال‌سازی آند در مقابل کاتد صرف نظر می‌شود.
افتجریانداخلیغشاء پلیمری نسبت به گازهایواکنش‌دهنده (سوخت) نفوذ ناپذیر است اما همواره از یکسو مقدار کمی از سوخت و از سویدیگر تعداد اندکی الکترون به غشاء پلیمری نفوذ می‌کند. نفوذ سوخت در غشاء معادل از دست رفتن سوخت بدون تولیدجریان در مدار خارجی است. به عبارت دیگر به ازای عبور هر مولکول هیدروژن از درون غشاء قابلیت عبور دو الکترون از مدار خارجی از بینمی‌رود و در حقیقتیک مدار اتصال کوتاه در پیلایجادمی‌شود که جریانداخلینامیدهمی‌شود. این نوع افت ولتاژ در حالتی که پیلسوختی تحت بار نیست (حالت مدار باز، i=0) وجود دارد، چون حتی در این حالت نیز سوخت می‌تواند درون غشاء نشت کند. به همیندلیل ولتاژ مدار باز به طور محسوسی از ولتاژ تئوریبازگشت‌پذیر کمتر است، میزان این افت ولتاژ از ولتاژ تئوریبازگشت‌پذیر از همان ابتدای منحنی قطبیت(i=0) در REF _Ref331172664 hشکل‏15 نشان داده شده است. مقدار نشت هیدروژن از غشاء تابعی از نفوذ پذیری، ضخامت غشاء، شرایطعملکردیپیل و گرادیان فشار جزئیهیدروژناست [REF _Ref332025559 h * MERGEFORMAT10]. مقدار جریانداخلیتولید شده ناشی از عبور همزمان هیدروژن و الکترون از درون غشاء را با inنشان می‌دهند. برای محاسبه افت ناشی از جریان داخلی کافی است که مقدار in به مقدار چگالی جریان پیل اضافه کنیم:
(1- SEQ 1- * ARABIC5)
افتاهمیکافت‌هایاهمیکبه دلیلمقاومت‌هایی که در برابر جریانالکترون‌ها در الکترودها و اتصالات داخلی مختلف و همچنینمقاومت‌هایی که بر سر راه جریانیون‌های مثبت در الکترولیت وجود دارند، می‌باشند. این افت ولتاژ متناسب با چگالیجریان و خطی است [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4] و با ηOhmic نشان می‌دهند. از قانون اهم داریم:
(1- SEQ 1- * ARABIC6)
که iچگالی جریان پیل، RElectronic و RIonicمقاومت‌های ویژهالکترونیک و یونیک بر حسب m2 در پیلسوختی هستند. قسمت عمده افت اهمی، مقاومت یونی غشاء می‌باشدبطوریکهتقریباً کل افت اهمیک موجود در پیل را می‌توانبا مقاومت یونیک موجود در الکترولیت با دقت خوبیتخمین زد [REF _Ref332025559 h * MERGEFORMAT10]. افت اهمی وابسته به جنس قطعات به کار رفته در پیل است.

افت غلظتدر چگالیجریان‌های بالا بر اثر مصرف زیاد واکنش دهنده‌ها، غلظت واکنش دهنده‌هاروی سطح الکترودها کاهش می‌یابد و سبب افت ولتاژ می‌شود و با ηconcentration نشان می‌دهند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. البته این رابطه، یک رابطه نیمه تجربی میباشد، که در برخی از روشهای شبیهسازی نظیر مدل همگن لایه کاتالیست از آن استفاده میشود:
(1- SEQ 1- * ARABIC7)
iLچگالیجریان محدود کننده است و زمانیایجادمی‌شود که غلظت واکنش دهنده روی سطح در محل واکنش به صفر برسد.
اگر CR غلظت واکنش دهندهها در ورودی لایه نفوذ گاز و CRS غلظت واکنش دهندهها در سطوح انجام واکنش باشد، آنگاه شار عبوری واکنش دهندهها برابر است با:
(1- SEQ 1- * ARABIC8)
که در آن Dضریب نفوذ پذیری واکنش دهنده‌ها[cm/s]،A سطح فعال الکترودو δ ضخامت لایه نفوذ گاز هستند.
از طرفی طبق قانون فارادی (پیوست 1)، نرخ مصرف واکنش دهندهها با نرخ جریان تولیدی به صورت زیر متناسب است:
(1- SEQ 1- * ARABIC9)
n تعداد الکترون‌های انتقال یافته به ازای یک مول سوختمیباشد. اکنون با ترکیب کردن معادلات (1-4) و (1-5) داریم:
(1- SEQ 1- * ARABIC10)
همانطور که میدانیم در چگالیجریان محدود کننده که غلظت واکنش دهنده روی سطح در محل واکنش به صفر میرسدCRS=0.بنابراین چگالی جریان محدود کننده برابر است با [REF _Ref332025777 h * MERGEFORMAT12]:
(1- SEQ 1- * ARABIC11)
Bدر معادله REF _Ref331420287 h * MERGEFORMAT (1- 7)عدد ثابت است و کاملاً وابسته به شرایطعملکردیپیلمی‌باشد.این عدد معمولاً به صورت تجربیبرایپیلهای مختلف گزارش می‌شود به طوریکه ابتدا منحنیتجربیقطبیتپیل با انجام تست در چگالیجریان‌های مختلف بدست می‌آید سپس اینمنحنی را با رابطه REF _Ref330220987 h * MERGEFORMAT (1- 12)که در حقیقت ولتاژ واقعیپیل در چگالیجریان‌های مختلف می‌باشد، و از کم کردن تمامیافت‌ها از ولتاژ بازگشت‌پذیرپیل بدست می‌آید، برازش می‌کنند تا ثوابتینظیرa،B بدست آیند [REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4].
(1- SEQ 1- * ARABIC12)
افت غلظت با بهینهسازی انتقال جرم در الکترودها و ساختار جریانپیلسوختی قابل کم شدن است.
مروری بر پروژه - ریسرچ‌هافیزیک حاکم بر یکپیلسوختیبسیارپیچیده است. تعداد زیادیفرآیند که به طور هم زمان در پیلسوختی رخ می‌دهند، وجود دارند و مطالعه هر فرآیندی که در پیلسوختی انجام می‌گردد دشوار می‌باشد. تاکنون محققان مختلفی بر رویجنبه‌های متفاوت پیلسوختی تمرکز کرده‌اند. تحقیقاتتجربیپیلسوختیبسیار زمان بر و گران قیمتاست. محققان اولیه تنها بر رویجنبه‌هایخاصی از پیلسوختی مثل صفحات دو قطبی، لایهکاتالیست، لایه نفوذ گاز و غشاء تمرکز کرده‌اند. در این بخش ابتدا مروری بر رویانواع مدل‌سازی‌های انجام شده بر رویلایهکاتالیست انجام می‌دهیم و سپس برخی از مدل‌سازی‌های مربوط به غشاء و لایه نفوذ گاز ارائه می‌گردد:
لایهکاتالیستبه طور کلی سه روش مختلف به منظور مدل‌سازیلایهکاتالیست وجود دارد:
مدل لایه نازک
مدل همگن
مدل تودهای
در سال‌هایاولیه توان محاسباتی محدود بوده و در نتیجه تنها یک مدل عددییکبعدیپیلسوختی غشاء پلیمری توسط برناردی و همکارانش [REF _Ref332025833 h * MERGEFORMAT13] توسعه یافته بود و نتایج آن با مدل تجربیمقایسه شده بود.برناردی و همکارانش اولینمحققینی بودند که لایهکاتالیست کاتد را به روش همگن مدل‌سازی کردند. آن‌هارفتار لایهکاتالیست مسئله مدیریت آب در پیلسوختی و همچنین عملکرد پیل را مورد بررسی قرار دادند. نتایج کار آن‌هابیانگراینواقعیت بود که واکنش کاهش اکسیژندر یکلایهبسیارباریکی از لایهکاتالیست که نزدیک به لایه نفوذ گاز می‌باشد انجام می‌شود. بعدها خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14]نشان دادند که در یک ولتاژ عملکردیپیل (A m-5000) تنها 5% از لایهکاتالیست که در مجاورت سطح مشترک لایهکاتالیست با لایه نفوذ گازمی‌باشد در واکنش کاهش اکسیژنشرکت می‌کنند، اینیعنیاینکهاکسیژنمصرفی به محض ورود به قلمرو لایهکاتالیست مصرف می‌شود. بنابراینبراییکطراحیبهینه و مقرون به صرفه،تجمع بارگذاریپلاتین در مجاورت سطح مشترک لایهکاتالیست با لایه نفوذ گاز می‌تواند به عنوان یکگزینه مورد توجه باشد.
برناردی و وربروگ[REF _Ref332025833 h * MERGEFORMAT13] همچنینمعادلات استفان- بولتزمن را برای مدل کردن انتقال جرم در لایه نفوذ گاز، معادله باتلر- ولمر را برای سینتیک واکنش و معادله نرنست – پلانک را برای انتقال جرم در غشاء به کار بردند. یک سال بعد آن‌ها مدل خود را از بخش کاتد به دو بخش آند و کاتد پیل سوختی بسط دادند. اینبار افت اهمیک در اثر انتقال الکترون در لایه نفوذ گاز، افت فعال‌سازی و افت اهمیک در اثر عبور پروتون در غشاء را در مدل‌سازی خود مورد مطالعه قرار دادند.
برناردی و وربروگ در سال 1992 پیل سوختی غشاء پلیمری جامد را با استفاده از روش همگن مدل کردند [REF _Ref332025887 h * MERGEFORMAT15]. آن‌ها مکانیزم انتقال اجزاء در شبکه پیچیده پیل در فازهای مختلف گاز و مایع و فاکتورهای مؤثر بر کارایی پیل را در تحقیق خود مورد تحلیل و بررسی قرار دادند. در این بررسی رفتار قطبیت پیل با داده‌های آزمایشگاهی مقایسه شده است. استفاده از ضخامت‌های متفاوت الکترود در کار آن‌ها نشان می‌دهد که برای دوری جستن از اینکه چگالی جریان محدود کننده پیل، در جریانهای پایینتر اتفاق افتد، نسبت حجمی الکترود کاتد (تخلخل لایه نفوذ گاز سمت کاتد) برای انتقال گازها باید بیش از 20 درصد باشد. به عبارت دیگر آنها ثابت کردند که به ازای مقادیر بسیار اندک تخلخل الکترد کاتد(به عنوان مثال 11%) چگالی جریان محدود کنندهپیل به دلیل محدود شدن انتقال جرم به سرعت اتفاق میافتد. نتایج مدل آن‌ها همچنین نشان می‌دهد که در گستره وسیعی از چگالی‌های جریان، هیچ نیازی به آب خارجی وجود ندارد زیرا آب تولیدی در کاتد به منظور تأمین نیازمندی‌های آبی غشاء کافی است.
در سال 2002 جنویو همکارانش [REF _Ref332025901 h * MERGEFORMAT16]مدلسازی لایه کاتالیست را بر اساس روش همگن ارائه کردند. اثر انتقال جرم و حرارت در پیل سوختی غشاء پلیمری بر طبق الکتروشیمی لایه کاتالیست در مدل آن‌ها مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین با استفاده از مدل خود نشان دادند، هنگامیکه غلظت اکسیژن در مرز لایه کاتالیست و غشاء به صفر می‌رسد، چگالی جریان محدود کننده حاصل می‌شود. آن‌ها با استفاده از فرض کاملاً توسعه یافته بودن سیال در کانال‌های انتقال گاز، یک بعدی و همگن بودن لایه کاتالیست، به مقدار بهینه استفاده از کاتالیست پلاتین در لایه کاتالیست رسیدند. همچنین از مدل‌سازی خود به این نتیجه رسیدند که افزایش دما بیش از حد معقول، باعث کم آب شدن آیونومر لایه کاتالیست شده و کارائی پیل را کاهش می‌دهد و نشان دادند که تخلخل و میزان بارگذاری پلاتین در لایه کاتالیست نقش بسیار مهمی را در کارائی پیل ایفا می‌کنند.
در سال 1999 سینگ و همکارانش [REF _Ref332025916 h * MERGEFORMAT17]لایهکاتالیستپیلسوختی غشاء پلیمری را به صورت دو بعدیمدل‌سازی کردند، آن‌هاهمچنینجریان‌های واکنش دهنده‌ها در آند و کاتد را به صورت همسو و غیر همسو مدل کرده و نتایج آن را با هم مقایسه کردند.آن‌هانتیجه گرفتند که مدل‌سازی دو بعدی نقش مهمی بر رویپیش‌بینیصحیح عملکرد پیلسوختیایفامی‌کند، این امر در چگالیجریان‌هایپایینشدیدتر است. مار و لی [REF _Ref332025950 h * MERGEFORMAT18] اثراتساختاریاجزایتشکیلدهنده‌ییکلایهکاتالیست همگن را بر روی عملکرد پیلسوختی غشاء پلیمری مورد بررسی قرار دادند. آن‌هانتیجه گرفتند که به منظور دستیابی به بالاترینمیزانکاراییپیلاز نقطه نظر ساختاریباید همواره 40% از لایهکاتالیست از ذرات پلاتین–کربن(Pt/C)ساخته شده باشد. در سال 2010 خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14]یک مطالعه جامع پارامتری را بر رویلایهکاتالیستی که به روش همگن مدل کرده بودند انجام دادند. در این مطالعه، اثر شش پارامتر ساختاری بر روی عملکرد پیلسوختی غشا پلیمری مورد بررسی قرار گرفت. آن‌ها نشان دادند که برخی از پارامتر هایساختارینظیر کسر حجمی فاز غشاء موجود در لایهکاتالیست، ضخامت لایهکاتالیست و بارگذاری کربن ازتأثیرگذارترینپارامترها بر رویمنحنیقطبیتپیل هستند.
علیرغمموفقیت‌های ذکر شده در مورد مدل همگن لایهکاتالیست،پیش‌بینی عملکرد سلول سوختی با استفاده از مدل همگن در چگالیجریان‌های بالا بسیارضعیف است و با نتایجتجربی اختلاف قابل ملاحظه‌ای دارد. این اختلاف به دلیل این است که افت غلظت در مدل همگن به خوبی و بدون استفاده از روابط تجربی قابل پیش‌بینینیست. اکنون مدل توده‌ای که کمی از مدل همگن نوین‌تر است می‌توانداین مشکل را مرتفع سازد.
گراف‌های میکرو الکترونی، بروکا و اکدونج[REF _Ref332026000 h * MERGEFORMAT19] نشان داد که ذرات Pt/Cموجود در لایه کاتالیست، نزدیک به یکدیگر و به شکل یک توده کروی انباشته شده‌اند، همچنیناین توده کروینیز با لایهنازکی از آیونومر احاطه شده است. آن‌هاهمچنینلایهکاتالیست کاتد را با استفاده از مدل همگن و توده‌ایشبیه‌سازی کرده و نتایجآن‌ها را با یکدیگرمقایسهکرده‌اند. سان و همکارانش [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20]در سال 2005 مدل تودهای را برایبررسیاثر بارگذاریآیونومرنفیون و پلاتین بر روی عملکرد پیل مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها 36% را یک کسر وزنیبهینهبرایبارگذارینفیونبدست آوردند. در سال 2007 سیکنل و همکارانش [REF _Ref332026057 h * MERGEFORMAT21] الکترود کاتد یکپیلسوختی غشاء پلیمری را که بهروشتوده‌ای مدل شده بود با استفاده از روش بهینه‌سازی چند متغیرهبهینه کردند. آن‌هانتیجه گرفتند کههرچه شعاع ذرات توده ای موجود در لایهکاتالیست و همچنین ضخامتلایهآیونومر اطراف آن‌هاکوچک‌تر باشد، عملکرد پیلبهینه‌تر است. در واقع تا آنجایی که فرآیندهای ساخت اجازه می‌دهندباید شعاعذرات توده‌ای و ضخامت آیونومر دور آن‌ها کوچک باشد. آن‌ها کسر حجمیبهینه را برای فاز جامد و غشاء موجود در لایهکاتالیست به ترتیب 22.05% و 53.95% گزارش کردند. البته اینمقادیر در چگالیجریان‌های متوسط گزارش شده‌اند.
در سال 2012، کاماراجوگادا و مازومدر [REF _Ref332026073 h * MERGEFORMAT22]لایه کاتالیست را به روش توده‌ایمدل‌سازی کردند، البته یک فرق اساسی که مدلآن‌ها با سایر روش‌هایتوده‌ای داشت، این است که آن‌ها فرض کردند ذرات توده‌ای با شعاع‌های متفاوت با یکدیگر تداخل داشته باشند. نتایج کار آن‌ها نشان می‌دهد که تا هنگامی که اندازه ذرات توده‌ای کوچک (کوچکتر از nm 200) باشد، اثر آن‌ها بر روی منحنی قطبیت پیل اندک است. اما برای ذرات بزرگتر اثر آن‌هابر روی منحنی قطبیت قابل ملاحظه است. به ویژه در چگالی جریان بالا جایی که افت غلظت شدید بوده و مقاومت در برابر انتقال جرم به درون توده به شکل توده وابسته است، این اثر بحرانی‌تر خواهد بود. آن‌ها همچنین نتیجه گرفتند که کارایی پیل در این حالت نسبت به حالتی که توده‌ها به صورت کروی و جدا از هم هستند به ازای یک حجم یکسان به مراتب بیشتر است و به نتایج تجربی نیز نزدیکتر می‌باشد.
لایه نفوذ گاز و غشاءلایههای نفوذ گاز به دلیلیکنواخت کردن جریانگازهای واکنش دهنده بکار می‌روند. البته استفاده از اینلایه‌ها باعث کاهش فشار واکنش دهنده‌ها نیزمی‌گردد. غشاء نیزیکلایه مرطوب می‌باشد که پروتون‌ها از طریق آن از آند به سمت کاتد مهاجرت می‌کنند. در پیل‌هایسوختی غشاء پلیمری از انواع نفیون‌ها به عنوان غشاء استفادهمی‌شود. میزان آب موجود در غشاء ازاهمیتویژه‌ای برخوردار است. تمامی خواص غشاء اعم از میزاننفوذ آب، قابلیت هدایتپروتونی و مقاومت پروتونی به میزان آب موجود در غشاء بستگی دارد. اگر دمایپیل بالا باشد (oC100) ممکن است که رطوبت غشاء از دست برود و مقاومت پروتونیکافزایشیابد. از سویدیگرزیادی آب درون غشاء باعث ایجادپدیدهغرقابی شده و منافذ نفوذ گاز را مسدود می‌کند.
اثر دما و ضخامت غشاء بر بازده پیل سوختی و اثر انتقال آب در داخل لایه غشاء، مواردی هستند که اشپرینگر و همکارانش [REF _Ref332026117 h * MERGEFORMAT23]در مدل‌سازی پیل سوختی با استفاده از روش لایه نازک به بررسی آن‌ها پرداخته‌اند.اشپرینگر و همکارانش در سال 1991یکپیلسوختیپلیمری با نفیونN117 به عنوان غشاء مدل‌سازی کردند. آن‌ها هوا و هیدروژنورودی به کاتد و آند را کاملاً اشباع در نظر گرفتند. آن‌ها اثر برخی از پارامترهایساختاری و عملکردیپیل را بر رویکاراییپیل مورد بررسی قرار دادند، و به طور خاص اثر جزء آب موجود در غشاء و دما را بر روی مقاومت پروتونیک غشاء و در نتیجهکاراییپیل مورد بررسی قرار دادند. آن‌هانتیجه گرفتند که هر چه دمایپیلسوختی بالاتر باشد و همچنین هر چه ضخامت غشاء بیشتر باشد جزء آب موجود در غشاء کاهش و در پی آنمقاومت پروتونیک غشاء افزایشمی‌یابد.آن‌ها به این نتیجه رسیدند که با افزایش چگالی جریان پیل، مقاومت غشاء نیز افزایش مییابد، که برای کاهش این مقاومت میتوان از غشاء با ضخامت کمتر استفاده نمود، همچنین دریافتند که نسبت شارخالص آب عبوری به شار پروتون در داخل غشاء، از میزان پیش‌بینی شده توسط پدیده کشش الکترواسمزی بسیار کمتر است.
موتوپالی و همکارانش [REF _Ref332026155 h * MERGEFORMAT24] نفوذ آب درون نفیونN115 را مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها شار نفوذ آب را در درون غشاء با استفاده از قانون فیک مدل کردند. نتایج کار آن‌ها نشان داد که گرادیانضریبفعالیت آب در داخل غشاء به فشار عملکرد پیلسوختیبستگی دارد. شان-های و بائو-لیان [REF _Ref332026180 h * MERGEFORMAT25]اثر نوع جریانواکنشگرها در کانال‌هایورودی (همسو و غیر همسو) را بر رویفرآیندهای انتقال درون غشاء (مهاجرت پروتون و انتقال آب)، مقاومت اهمیک و توزیع آب درون غشاء بررسی کردند. آن‌ها اثبات کردند که جریانغیر همسو می‌تواند باعث بهبود عملکرد پیلسوختی شود. جنگ و همکارانش [REF _Ref332026198 h * MERGEFORMAT26] نفوذ اکسیژن را در الکترود کاتد پیل سوختی با استفاده از یکضریبنفوذ معادل به صورت دو بعدی مدل کردند. آن‌ها اثر ضخامت لایه نفوذ گاز را بررسی کردند و اثبات کردند که هر چه ضخامت لایه نفوذ گاز کمتر باشد عملکرد پیلبهینه‌تر خواهد بود، البته این امر در مورد لایه‌های نفوذ گاز با تخلخل اندک می‌باشد.
اهداف پروژه و خلاصهای از کارهای صورت گرفتهبا توجه به مطالب ذکر شده در بخشهای قبلی میتوان نتیجه گرفت که به منظور طراحی صحیح و بهینه یک سیستم پیل سوختی نیازمند یک مدلسازی از عملکرد لایههای مختلف پیل سوختی نظیر مدلسازی لایه کاتالیست، لایه نفوذ گاز و غشاء هستیم. هدف اصلی از انجام این پایاننامه ارائه یک مدل کارآمد جهت پیشبینی عملکرد لایههای مختلف پیل و بررسی تاثیر پارامترهای مختلف (عملکردی و ساختاری) بر روی کارایی پیل میباشد. این مدل میتواند آغاز راه برای سازندههای پیل سوختی غشاء پلیمری باشد.
از اینرو در اینپایان‌نامهمدل‌سازییکبعدی عملکرد یکپیلسوختی غشا پلیمری انجام می‌پذیرد، و تمامیلایه‌هایاینپیلسوختی تک سلولیشبیه‌سازیمی‌شوند. مدل ارائه شده برایلایهکاتالیست، مدل توده‌ایمی‌باشد. این مدل افت غلظت موجود در منحنیقطبیتپیل را که در چگالیجریان بالا اتفاق می‌افتد بدون اضافه کردن روابط نیمهتجربی مربوط به افت غلظت درستپیش‌بینیمی‌کندهمچنین در حالتی که اندازه تودهها به سمت صفر میرود(تودههای بسیار کوچک) این مدل به مدل همگن ساده میشود. لایه‌های نفوذ گاز نیز که در دو طرف آند و کاتد پیل قرار دارند با استفاده از معادلات مربوط به نفوذ گازهای چند جزئی مدل شده‌اند. غشاء نیز با مدل کردن انواع مکانیزم‌های انتقال آب که در آن وجود دارد شبیه‌سازی شده است. عملکرد یکپیلسوختی توسط منحنی ولتاژ بر حسب چگالیجریانبیانمی‌شود. این عملکرد با کسر نمودن افت‌های مربوط به ولتاژ فعال‌سازی، اهمیک و غلظت از ولتاژ بازگشت‌پذیرپیل در یکچگالیجریان بدست می‌آید. سپس با تغییرچگالیجریان، منحنیجریان–ولتاژ پیل بدست می‌آید. در اینپایان‌نامه معادلات حاکم بر عملکرد لایه‌های مختلف پیل (که ترکیبی از معادلات دیفرانسیل و معادلات جبریمی‌باشند) بدست آمده سپس این معادلات حل می‌گردد تا افت‌هایقید شده بدست آید. در انتها یکسری مطالعات پارامتری به منظور بررسیمیزانحساسیت تابع عملکرد به یکسریپارامترها انجام می‌پذیرد.

فصل دوممدل‌سازی لایه کاتالیست به روش توده‌ای و نتایج آن25050754247515020000
معرفی لایه کاتالیستلایه کاتالیست لایه بسیار نازکی است که بین غشاء و الکترود (ناحیه‌ی متخلخل) فشرده شده است. در این ناحیه واکنش الکتروشیمیایی رخ می‌دهد و بهطوردقیق‌تر واکنش الکتروشیمیایی در سطح کاتالیست رخ می‌دهد. سهمؤلفه که شامل الکترون‌ها و پروتون‌ها و گازها هستند در واکنش شرکت می‌کنند بنابراین واکنش در ناحیه‌ای رخ می‌دهد که این سه ماده وجود داشته باشند. الکترون‌ها از جامدی که رسانای الکتریسیته است عبور می‌کند و خود را به سطح کاتالیست می‌رساند. پروتون‌ها نیز از فاز غشاء عبور می‌کنند و خود را به سطح کاتالیست می‌رساند و در نهایت گازهای واکنش‌دهنده از منافذ خالی عبور می‌کنند. بنابراین الکترود باید متخلخل باشد تا به گازها اجازه دهد به محل انجام واکنش برسند. آب تولید شده بایستی بهصورت موثر و بهینه خارج شود، در ضمن ممکن است که پدیده غرقابی رخ دهد، در این حالت آب مایع منافذ خالی الکترود را می‌پوشاند و مانع رسیدن گازها (اکسیژن) به لایه کاتالیست(کاتد) می‌شود.
همان‌طور که در REF _Ref331266301 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 (الف) مشاهده می‌شود واکنش در مرز سه فازی رخ می‌دهد که شامل فاز غشاء، فاز جامد و فضای خالی می‌باشد. البته اگر فاز غشاء جامد باشد این مرز دو فازی خواهد بود. این ناحیه گاهی تنها بهصورت یک سطح تداخلی در نظر گرفته می‌شود. در عمل چون ممکن است نفوذ گاز از غشاء صورت گیرد، ناحیه‌ی واکنش بزرگ‌تر از یک خط مرزی سه فازی است. محیط واکنش ممکن است با وجود نفوذ غشاء به قسمتی از کاتالیست بهصورت یک ناحیه در نظرگرفتهشود( REF _Ref331266301 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 (ب)). اما در اغلب موارد، تمام سطح کاتالیست با فاز غشاء پوشیده می‌شود( REF _Ref331266301 h * MERGEFORMAT شکل ‏21 (پ)). مسلماًیک حالت بهینه برای کسر حجمیهریک از این‌ فازهای غشاء، جامد و فضای خالی به منظور بهترین کارکرد لایه‌ی کاتالیست قابل حصول است.
متداول‌ترین کاتالیستی که در پیل‌های سوختی پروتونی برای واکنش کاهش اکسیژن و اکسایش هیدروژن کاربرد دارد، پلاتین است. در پیل‌های قدیمی مقادیر زیادی پلاتین استفاده می‌شد(mg/cm2 28). در اواخر سال 1990 این مقدار به mg/cm20.3-0.4رسید. مسئله مهم در ساختمان کاتالیست‌ها سطح آن‌هاست نه وزنشان، زیرا هر چه که سطح کاتالیست بیشتر باشد، سطوح انجام واکنش افزایش مییابد، بنابراین ذرات پلاتین بایستی ریز باشند (کمتر از nm4) زیرا به ازای یک مقدار بارگذاری معین هر چه ذرات کاتالیست ریزتر باشند سطوح انجام واکنش افزایش مییابد.
(الف) (ب) (پ)

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 1: نمایش گرافیکی سطحی که در آن واکنش رخ می‌دهد[REF _Ref332025524 h8].برای به حداقل رساندن افت پتانسیل که ناشی از کاهش نرخ انتقال پروتون و نفوذ گازهای واکنش‌دهنده به عمق لایه‌ی کاتالیست می‌باشد، این ناحیه بایستی به اندازه‌ی کافی نازک باشد. همزمان بایستی مساحت سطح موثر پلاتین نیز ماکزیمم باشد و برای این منظور ذرات پلاتین نیز بایستی تا حدامکان کوچک باشد. بهخاطر دلیل اول بایستی ذرات پلاتین– کربن(Pt/C) هرچه زیادتر باشد (از لحاظ وزنی این کسر بالاتر از 40٪ باشد)، از طرفی ذرات پلاتین باید کوچک‌تر باشند، تا سطح موثر واکنش، با وجود درصد بارگذاری کمتر، افزایش یابد ( REF _Ref331265979 h * MERGEFORMAT جدول ‏21).
باربیر [REF _Ref332025524 h * MERGEFORMAT8] گزارش کرده است که عملکرد پیل وقتی که درصد ذرات پلاتین –کربن(Pt/C) بین 10٪ تا 40٪ با بارگذاری mg/cm20.4 می‌باشد، تغییری نمی‌کند. اما عملکرد پیل وقتی که درصد ذرات پلاتین – کربن(Pt/C) از 40٪ بیشتر می‌شود، کاهش می‌یابد. این مسئله بیانگر این واقعیت است که هنگامی که درصد ذرات پلاتین–کربن(Pt/C) در گستره‌ی 10 تا 40٪ باشدتغییر قابل چشم‌پوشی برای مساحت سطح موثر کاتالیست و در گستره بالاتر از 40٪کاهش قابل ملاحظه‌ای در سطح موثر لایه‌ی کاتالیست اتفاق میافتد.
REF _Ref331265979 h * MERGEFORMAT جدول ‏21[REF _Ref332025524 h * MERGEFORMAT8] مساحت موثر کاتالیست را برای درصدهای مختلف پلاتین – کربن (Pt/C) نشان می‌دهد.
در عمل بارگذاری بیشتر پلاتین، پتانسیل بیشتر و عملکرد بهتر را برای پیل به ارمغان می‌آورد (با فرض قابل استفاده بودن و ضخامت معقول برای لایه‌ی کاتالیست). نکته‌ی کلیدی برای بهبود عملکرد پیل‌های سوختی افزایش بارگذاری پلاتین نیست بلکه افزایش استفاده از کاتالیست (افزایش سطح موثر) است.
جدول STYLEREF 1 s‏2SEQ جدول_ * ARABIC s 1 1: مساحت موثر کاتالیست برای درصدهای مختلف پلاتین – کربن.Active Area, m2/gPt XRD Pt Crystallite Size, nm Wt. % Pt on Carbone
(Pt/C)
120 2.2 40
105 2.5 50
88 3.2 60
62 4.5 70
20-25 5.5-6 Pt Black
شرح پدیده‌هایی که در لایه کاتالیست رخ می‌دهدهمان‌طور که در بخش REF _Ref330375638 n h * MERGEFORMAT ‏1-8-1-اشاره شد، لایه کاتالیست را عموماً به سه روش زیر مدل‌سازیمی‌کنند:
مدل لایه نازک
مدل همگن
مدل توده ای
اختلاف اصلی بین این سه روش را می‌توان در مکانیزم انتقال اکسیژن جستجو کرد در حالی که مدل‌های نام برده در نحوه انتقال الکترون و پروتون به یکدیگر شباهت زیادی دارند.
از آنجایی که در دهه اخیر از مدل سوم یعنی توده‌ای بیشتر از دو مدل دیگر استفاده شده است، لذا فقط به معرفی ابتدایی دو مدل اوّل بسنده کرده‌ایم، و برای مدل‌سازی لایه کاتالیست از مدل توده‌ای که جامع‌تر از دو مدل قبلی است و نواقص آن دو مدل را پوشش می‌دهد استفاده شده است.
مدل لایه نازکدر مدل لایه نازک[REF _Ref332026335 h * MERGEFORMAT27] فرض بر این است که در لایه کاتالیست، ذرات پلاتین روی سطح کربن قرار داده شده و همان‌گونه که در REF _Ref331173016 h * MERGEFORMAT شکل ‏22نشان داده شده است این ذرات بوسیله الکترولیتی احاطه می‌شوند که با حفره گاز در تماس است. در اینمدل تقارن محوری وجود دارد که در REF _Ref331173016 h * MERGEFORMAT شکل ‏22با خط چین نشان داده شده است، بنابراین در فاصله‌یحفره‌ی گاز و الکترولیت، هیچ شاری از صفحات متقارن عبور نمی‌کند (شرط تقارن). در این مدل ضخامت الکترولیت و فاصله بین ذره‌ای، ثابت در نظر گرفته می‌شود، همچنین تخلخل لایه کاتالیست در این مدل صفر است. فرآیندهای انتشار، همدما بوده و سیستم نیز در شرایط حالت پایا فرض می‌شوند.
مدل لایه نازک معمولاً هنگامی استفاده می‌شود که هدف ما مطالعه اثرات ترکیب لایه کاتالیست نباشد [REF _Ref332025607 h * MERGEFORMAT11]. در این مدل لایه کاتالیست به صورت لایه بسیار نازکی فرض می‌شود و با فرض اینکه همه خواص در این لایه یکنواخت باشند، ترکیب و ساختار آن در نظر گرفته نمی‌شود. سپس این لایه به صورت فاصله‌ای مابین غشاء و لایه نفوذ گاز ملاحظه می‌شود.

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 2: شماتیک مدل لایه نازک با تقارن محوری نشان داده شده بوسیله خط چین [REF _Ref332026373 h * MERGEFORMAT28].به منظور مدل کردن اثر لایه کاتالیست بر کارایی پیل در این مدل، تنها یک معادله مورد استفاده قرار می‌گیرد (معادله تافل) که در هنگام مدل سازی به صورت یک شرط مرزی بین لایه نفوذ گاز و غشاء مطرح می‌شود. همان‌گونه که اشاره شد، به نظر می‌رسد که این مدل زمانی کافی باشد که اثرات دیگر، نسبت به اثرات لایه کاتالیست دارای اهمیت بیشتری باشند.
مدل همگنمدل همگن را می‌توان شکل اصلاح شده مدل لایه نازک نامید. در این مدل، لایه کاتالیست به صورت یک ساختار متخلخل متشکل از: یک ماده هادی جامد (معمولاً کربن)، کاتالیست (معمولاً پلاتین) و یک الکترولیت (معمولاً نفیون) ساخته می‌شود، REF _Ref331173107 h * MERGEFORMAT شکل ‏23.

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 3: تصویر شماتیک لایه کاتالیست سمت کاتد بر اساس مدل همگن[REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14].مدل همگن فرض می‌کند که فضای حفره، ماده هادی جامد و الکترولیت بهطور یکنواخت در لایه کاتالیست توزیع شده‌اند، این واقعیت در REF _Ref331173169 h * MERGEFORMAT شکل ‏24به خوبی به تصویر کشیده شده است.
واکنش روی سطح ذرات کاتالیست نهاده شده روی ماده هادی جامد اتفاق می‌افتد. بنابراین پروتون‌ها، الکترون‌ها و اکسیژن باید از میان لایه کاتالیست عبور کنند تا به محل انجام واکنش برسند. در لایه کاتالیست کاتد، الکترون‌ها از طریق ماده هادی جامد، پروتون‌ها از طریق الکترولیت و اکسیژن از طریق فضای حفره انتقال داده می‌شوند. مسیر انتقال اکسیژن به دو صورت فرض می‌شود. برخی از محققین فرض می‌کنند که اکسیژن از طریق آب مایعی که فضاهای حفره را پر می‌کند انتقال داده می‌شود [REF _Ref332025887 h * MERGEFORMAT15]. برخی دیگر از محققین فرض می‌کنند که اکسیژن از طریق انتشار در فاز گاز در میان حفره‌های گازی انتقال داده می‌شود [REF _Ref332026434 h * MERGEFORMAT29-REF _Ref332026924 h * MERGEFORMAT33]. هر دو فرض مدلی را نتیجه می‌دهند که برخی از اثرات بسیار مهم که در لایه کاتالیست اتفاق می‌افتد را شرح می‌دهند. هر دو فرض، همچنین ترکیب لایه کاتالیست را از طریق ربط دادن خواص لایه کاتالیست به نسبت حجمی هر فاز نشان می‌دهند.


شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 4: نمایی از لایه کاتالیست همگن و تودهای و اجزاء تشکیل دهنده آنها.مدل توده‌ایدر سال 1980 ایزکوفسکی و کاتلیپ جزء اولین کسانی بودند که مدل توده‌ای را برای شبیه‌سازی لایه کاتالیست به کار بردند. آن‌ها از توده‌های استوانه‌ای برای شبیه‌سازی خود استفاده کردند و نشان دادند که لایه کاتالیست از توده‌های کربن تقویت شده توسط پلاتین ساخته شده است که بوسیله لایه‌ای نازک از نفیون احاطه شده و بوسیله حفره‌ها از هم جدا می‌شوند. این توده‌ها اگلومریتنامیده می‌شوند. توده‌ها، کره‌هایی از الکترولیت معمولاً نفیون، هستند که با کربن و ذرات پلاتین پر شده‌اند و دارای شعاع حدوداً یک میکرونهستند [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20].این مدل، از جدیدترین مدل‌هایی است که برای لایه کاتالیست پیل سوختی ارائه شده است، REF _Ref331173305 h * MERGEFORMATشکل ‏25(الف) یک نمای میکروسکوپیک از لایه کاتالیست که حاوی ذرات اگلومریت (توده) است را نشان می‌دهد.REF _Ref331173305 h * MERGEFORMATشکل ‏25(الف) نشان می‌دهد که ذرات تودهای از یک طرف با فیبرهای (رشته‌های) کربن موجود در لایه نفوذ گاز که در مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز قرار دارد در تماس بوده، و از طرف دیگر نیز در تماس با آیونومر الکترولیت موجود در مرز مشترک لایه کاتالیست با غشاءمی‌باشند. در این بین، ذرات تودهای به صورت نامنظم در آیونومر موجود در لایه کاتالیست مستغرق می‌باشند. همان‌طور که در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMATشکل ‏25(الف) دیده می‌شود یک سری فضای خالی ما بین این ذرات وجود دارد، معمولاً فرض می‌شود که این فضاهای خالی با آب مایع بوجود آمده ناشی از انجام واکنش کاملاً پر می‌شود. این فرض مخصوصاً در مورد پیل‌های دما پایین که در آن‌ها تمامی آب تولیدی به صورت آب مایع می‌باشدصحیح بهنظرمی‌رسد. به این حالت، حالت غرقابی کاملمی‌گویند. REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25 (ب) نمای بزرگ شده یکی از هزاران توده‌یموجود در لایه کاتالیست را نشان می‌دهد. این ذرات با یک فیلم بسیار نازک از آیونومر احاطه شده‌اند. همان‌طور که در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب) دیده می‌شود ذرات پلاتین که بروی ذرات کربن بار گذاری شده‌اند و بوسیله آن‌ها تقویت شده‌اند به صورت کاتوره‌ایدرون آیونومر موجود در توده پخش شده‌اند.
به صورت کلی نفوذ اکسیژن از مرز مشترک لایه نفوذ گاز با لایه کاتالیست تا درون هر توده‌ی موجود در لایه کاتالیست را می‌توان به ترتیبدر فرآیندهای زیر خلاصه نمود:
نفوذ اکسیژن به درون لایه کاتالیست با حل شدن در آب مایع موجود در مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز،
حل شدن اکسیژن در فاز آیونومر و همچنین فضاهای خالی پر شده از آب مایع، به منظور رسیدن به سطح توده‌ها،
نفوذ اکسیژن به درون فیلم آیونومر اطراف هر اگلومریت،
حل شدن اکسیژن درون توده و واکنش کاهش اکسیژن درون سایت‌های انجام واکنش (پلاتین‌ها).
REF _Ref331173381 h * MERGEFORMAT شکل ‏26تصویر میکروالکترونی (SEM)از توده‌ها را نشان می‌دهد. در شکل ناحیه خاکستری روشن آیونومر است. انتقال گاز در کاتالیست توسط حفره‌های ماکرو در ابعاد m10-1آسان‌تر می‌شود. قطر ذراتکاتالیست پلاتین حدود3 nm است.همان‌طور که در REF _Ref331173381 h * MERGEFORMAT شکل ‏26مشاهدهمی‌شود مدل تودهای به تصاویر میکروالکترونیلایه کاتالیست بسیار شبیه تر ازمدل همگن است.
با توجه به مطالب گفته شده می‌توان گفت که روش همگن نسبت به روش توده‌ای از دقت کمتری برخوردار است. مطالعات بسیاری نشان داده‌اند که مدل انباشته پیشگویی‌های بهتری نسبت به نتایج آزمایشگاهی در اختیار قرار می‌دهد [REF _Ref332026000 h * MERGEFORMAT19]. مدل‌های انباشته نیازمند پارامترهایی هستند که به صورت تجربی تعیین شده‌اند و این امر می‌تواند دلیلی برای نزدیک‌تر بودن نتایج مدل نسبت به نتایج آزمایشگاهی باشد.
(الف)
(ب)
شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 5: (الف) نمای لایه کاتالیست به روش توده‌ای که بین لایه نفوذ گاز و غشاء فشرده شده است (ب) نمای بزرگ شده از یک عدد توده موجود در لایه کاتالیست.
شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 6: تصویر SEM لایه کاتالیست [REF _Ref332026000 h19].استخراج روابط حاکم بر مدل تودهایشبیهسازی انجام شده بر اساس مدل توده‌ای بوده و بر فرضیات زیر استوار می‌باشد:
الف) پیل سوختی غشاء پلیمری در حالت پایا کار می‌کند.
ب) تمامی واکنش‌ها در دما و فشار ثابت انجام می‌شوند.
پ) گازها ایده آل فرض می‌شوند.
ت) کاتد و آند پیل سوختی به ترتیببا اکسیژن و هیدروژن خالص تغذیه می‌شوند.
ث)حفرههای موجود در مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز و همچنین فضای خالی بین ذرات توده‌ای پر از آب مایع در نظر گرفته شده است (شرایط کاملاً غرقابی).
ج) ذرات توده‌ای به صورت کروی و با شعاع یکسان در نظر گرفته می‌شوند.
چ) تمامی واکنش‌هایی که در لایه کاتالیست رخ می‌دهند مرتبه اوّل می‌باشند، این بدین معنی است که نرخ مصرف اکسیژن در لایه کاتالیست کاتد با غلظت آن متناسب است.
دراین بخش معادلات دیفرانسیل معمولی حاکم بر لایه کاتالیست کاتد شرح داده می‌شود:
نرخ واکنش الکتروشیمیایی در مدل توده‌ایاستخراج معادله نرخ واکنش الکتروشیمیایی مستلزم شبیه‌سازی کامل فرآیندها نفوذ اکسیژن در لایه کاتالیست می‌باشد (فرآیندهای بخش REF _Ref331683273 r h * MERGEFORMAT ‏2-2-3-). بنابراین این بخش به چهار زیر بخش تقسیم شده است و در هر زیر بخش قسمتی از نفوذ اکسیژن مدلسازی شده است.
واکنش کاهش اکسیژن درون تودهدر ابتدا مکانیزم نفوذ اکسیژن درون هر توده، یعنی فرآیند 4 بخش REF _Ref331683273 r h * MERGEFORMAT ‏2-2-3- مدل می‌شود.
قانون بقای مولی برای اکسیژن درون یک توده در حالت پایا به صورت زیر بیان می‌گردد:
(2- SEQ 2- * ARABIC1)که در آن(ترم چشمه) بیان کننده نرخ اکسیژن مصرفی ناشی از واکنش الکتروشیمیایی درون توده است. انتقال جرم اکسیژن درون تودهبا استفاده از قانون فیک به صورت زیر مدل می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC2)که در آن ضریب نفوذ مؤثر اکسیژن درون یک توده است. از آنجا که اکسیژن برای نفوذ در هر توده باید در آیونومر موجود در آن توده حل شود لذا این ضریب نفوذ مؤثر را می‌توان با استفاده از تصحیح برگمان در محیط متخلخل به صورت زیر گزارش کرد:
(2- SEQ 2- * ARABIC3)
که در آن Li,agg کسر حجمی فاز غشاء موجود در هر توده می‌باشد. نیز ضریب نفوذ اکسیژن درون آیونومر است که خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14] از داده های تجربی فرمول زیر را با برازش منحنی پیشنهاد می‌کنند:
(2- SEQ 2- * ARABIC4)
اکنون با توجه به فرض آخر در بخش REF _Ref331435271 r h‏2-3-(فرض (چ))، نرخ حجمی مصرف اکسیژن به صورت زیر بیان می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC5)که در آن kCثابت نیمواکنش سمت کاتد می‌باشد. و علامت منفی در معادله REF _Ref330398231 h * MERGEFORMAT (2- 5) بیانگر مصرف اکسیژن می‌باشد.
با جایگذاری معادلات REF _Ref330398315 h * MERGEFORMAT (2- 2) و REF _Ref330398231 h * MERGEFORMAT (2- 5) در معادله REF _Ref330398327 h * MERGEFORMAT (2- 1)می‌توان نوشت:
(2- SEQ 2- * ARABIC6)اکنون اگر معادله REF _Ref330580384 h * MERGEFORMAT (2- 6) برای یک ذره توده‌ای کروی شکل در دستگاه مختصات کروی بسط داده شود، میتوان نوشت:
(2- SEQ 2- * ARABIC7)معادله REF _Ref330398567 h * MERGEFORMAT (2- 7) یک معادله دیفرانسیل معمولی مرتبه دوم می‌باشد، بنابراین دو شرط مرزی برای حل آن نیاز است این دو شرط در ادامه توضیح داده شده‌اند(برای جزئیات بیشتر به REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب) رجوع شود):
شرط مرزی در سطح داخلی توده،r = ragg: غلظت اکسیژن در سطح داخلی توده برابر با در نظر گرفته شده است( REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب)):
(2- SEQ 2- * ARABIC8)شرط مرزی در مرکز توده،r =: در مرکز توده شرط تقارن وجود دارد:
(2- SEQ 2- * ARABIC9)اگر معادله دیفرانسیل REF _Ref330398567 h * MERGEFORMAT (2- 7) با شرایط مرزی معادلات REF _Ref330399466 h * MERGEFORMAT (2- 8) و REF _Ref330399471 h * MERGEFORMAT (2- 9) حل شود آنگاه جواب زیر حاصل می‌گردد:
where and (2- SEQ 2- * ARABIC10)گروه بی بعد  که در معادله REF _Ref330399611 h * MERGEFORMAT (2- 10) ظاهر شده است را عدد تایلی یا مدول تایلی می‌نامند که برابر است با [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20]:
(2- SEQ 2- * ARABIC11) REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27نحوه تغییرات شعاعی غلظت بی بعد اکسیژن را درون یک توده به ازای مقادیر مختلف عدد تایلی نشان می‌دهد.
بر اساس معادله REF _Ref330399927 h * MERGEFORMAT (2- 11) حالت  حداقل با یکی از دو شرایط زیر متناظر است:
الف)ragg: ذرات تودهای بسیار ریز باشند،
ب)kC : ترم چشمه، به سمت صفر میل کند.
حالت (الف) متناظر است با حالتی که ذرات تودهای بسیار ریز باشند، در این حالت مدل توده‌ای به مدل همگن ساده می‌شود، به زبان دیگر این حالت بسیار به مدل همگن و مفروضات همگن پخش شدن اجزاءدر لایه کاتالیست نزدیک است. از طرف دیگر حالت (ب) متناظر با حالتی است که مصرف اکسیژن درون لایه کاتالیست به صفر رسیده است. در هر صورت همان‌طور که در REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27 مشاهده می‌شود حالت حدی  ناشی از هر دو حالت (الف) یا (ب) که باشد، منجربه توزیع تقریباً یکنواخت غلظت اکسیژن درون کل توده است.

شکل STYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 7: تغییرات شعاعی غلظت بی بعد اکسیژن درون یک توده برای مدول تایلی مختلف.از طرف دیگر حالت حدی (مثل = 10در REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27) متناظر با مصرف بسیار زیاد اکسیژن درون لایه کاتالیست است، به نحوی که نرخ نفوذ اکسیژن درون توده بسیار کمتر از نرخ مصرف اکسیژن است. این امر سبب می‌شود که اکسیژن توانایی نفوذ به اعماق توده را نداشته باشد و پس از کمی نفوذ درون توده به سرعت مصرف گردد در این حالت غلظت اکسیژن در r* = 1 به سرعت افت می‌کند که در REF _Ref331173594 h * MERGEFORMAT شکل ‏27مشخص است.
نرخ حجمی واکنش کاهش اکسیژن[mol m-3 s-1]، که همان میانگین نرخ حجمی مصرف اکسیژن درون توده می‌باشد با انتگرال گیری بر روی حجم کل توده به صورت زیر قابل محاسبه است:
(2- SEQ 2- * ARABIC12)در معادله REF _Ref330580866 h * MERGEFORMAT (2- 12)، Vagg حجم یک توده می‌باشد، که برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC13)
اکنون معادله REF _Ref330399611 h * MERGEFORMAT (2- 10) در معادله REF _Ref330398231 h * MERGEFORMAT (2- 5) جایگذاری شده، و سپس حاصل آن در معادله REF _Ref330580866 h * MERGEFORMAT (2- 12) جایگذاری می‌شود و انتگرال روی حجم توده محاسبه می‌شود، نرخ میانگین حجمی مصرف اکسیژن به صورت بی‌بعد و بر حسب عدد تایلی بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC14)در فرمول REF _Ref330581539 h * MERGEFORMAT (2- 14)، مقدار نرمال شده (بی‌بعد) نرخ مصرف حجمی اکسیژن می‌باشد که برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC15)
طبق فرض (چ) در بخش REF _Ref331435271 r h‏2-3-، نرخ حجمی مصرف اکسیژن با غلظت آن متناسب است، بنابراین ماکزیمم نرخ حجمی مصرف اکسیژن درون توده که در r = ragg رخ می‌دهد برابر است با ( REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب)):
(2- SEQ 2- * ARABIC16)ضریب موثرEr، که نسبت میانگین نرخ حجمی مصرفی اکسیژن به ماکزیمم نرخ مصرف اکسیژن می‌باشد، به صورت زیر تعریف می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC17) در حالت حدی، معادله REF _Ref330583898 h * MERGEFORMAT (2- 17) مقدارErرا برابر با 1 پیش‌بینیمی‌کند. از این نکته در بخش بعد برای تطبیق دادن مدل همگن و توده‌ای در شرایط حدی فوق استفاده می‌شود. اکنون معادلات REF _Ref330584219 h * MERGEFORMAT (2- 16) و REF _Ref330583898 h * MERGEFORMAT (2- 17) برای بدست آوردن با هم ادغام می‌شود:
(2- SEQ 2- * ARABIC18)نفوذ اکسیژن درون فیلم آیونومر اطراف تودهاکسیژن از طریق نفوذ در لایه نازک اطراف توده به درون آن نفوذ می‌کند.وبهترتیب غلظت اکسیژن در سطحبیرونی و داخلی فیلم آیونومر میباشد، این موضوع در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(ب) نشان داده شده است. اکنون شار مولی نفوذی اکسیژن به درون فیلم آیونومر اطراف هر توده را می‌توان با استفاده از مقاومت پخشی اکسیژن در مختصات کروی به صورت زیر بدست آورد:
(2- SEQ 2- * ARABIC19)agg، ضخامت مفروض لایه آیونومر اطراف توده است.
اگر aagg، سطح مؤثر (مساحت سطح مفید جهت نفوذ اکسیژن به درون تودهها نسبت به حجم لایه کاتالیست m/m) کل توده‌های موجود درون لایه کاتالیست باشد، اکنون نرخ کل اکسیژن مصرفی درون لایه کاتالیست برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC20)از سوی دیگر غلظت اکسیژن بر روی سطح بیرونی لایه آیونومر، ، با استفاده از قانون هانری قابل محاسبه است (قانون هانری در پیوست 2 توضیح داده شده است)، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC21)، ثابت هانری مربوط به انحلال اکسیژن درون آیونومر است. سان و همکارانش [REF _Ref332026047 h * MERGEFORMAT20]مقدار آن را 0.3125 [atm m3 mol-1] گزارش کرده‌اند.
اکنون مقدار غلظت اکسیژن در سطح داخلی فیلم آیونومر، ، با ادغام معادلات REF _Ref330627395 h * MERGEFORMAT (2- 18)، REF _Ref330627402 h * MERGEFORMAT (2- 19)، REF _Ref330627421 h * MERGEFORMAT (2- 21)و REF _Ref330627456 h * MERGEFORMAT (2- 20) بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC22)نرخ واکنش الکتروشیمیایینرخ واکنش الکتروشیمیایی از ادغام قانون فارادی و معادله REF _Ref330398327 h * MERGEFORMAT (2- 1) به صورت زیر قابل محاسبه است(شرحی بر قانون فارادی در پیوست 1 آمده است):
(2- SEQ 2- * ARABIC23)CL تخلخل لایه کاتالیست است.
نهایتاً نرخ واکنش الکتروشیمیایی در مدل توده‌ای با جایگزین کردن معادله REF _Ref330628360 h * MERGEFORMAT (2- 22) در معادله REF _Ref330627395 h * MERGEFORMAT (2- 18) و جایگذاری معادله حاصله درون رابطه REF _Ref330628414 h * MERGEFORMAT (2- 23) بدست می‌آید:
مدل توده ای:(2- SEQ 2- * ARABIC24)معادله REF _Ref330628605 h * MERGEFORMAT (2- 24) از دو بخش تشکیل شده است:
and (2- SEQ 2- * ARABIC25)بعداً اثبات می‌شود که Term I در معادله REF _Ref330628753 h * MERGEFORMAT (2- 25) تنها بخشی از مدل توده‌ای است که در مدل همگن نیز وجود دارد، Term II یک بخش اضافی است که در مدل توده‌ای ظاهر شده است و مدل همگن فاقد آن است.Term II، ترمی است که شامل پارامترهای ساختاری و هندسی ذرات توده‌ای بوده و به صورت مستقیم به شرایط عملکردی و چگالی جریان پیل وابسته نیست، از طرف دیگر Term I ترمی است که کاملاً وابسته به شرایط عملکردی و چگالی جریان پیل می‌باشد. در بخش نتایج این دو ترم از نظر مرتبه بزرگی با یکدیگر مقایسه شده‌اند. به نظر می‌رسد که دلیل ایجاد افت غلظت در چگالی جریان بالا در منحنی قطبیت پیل در مدل توده‌ای، همین اختلاف بین دو مدل همگن و توده ای یعنی، Term IIباشد. در نبود این ترم، مدل توده‌ای به مدل همگن کاهش می‌یابد، که در این حالت مدل همگن قادر به پیش بینی افت غلظت در چگالی جریان‌های بالا نیست و این یکی از اصلی‌ترین معایب مدل همگن بشمار می‌رود.
در معادله REF _Ref330628605 h * MERGEFORMAT (2- 24) تنها ترم مجهول kCمی‌باشد. این پارامتر با استفاده از بررسی یک حالت حدی که در آن مدل توده‌ای به مدل همگن کاهش می‌یابد بدست می‌آید. مدل همگن تحت شرایط زیر از مدل توده‌ای قابل بازیافت است:
Er 1  Term II  (ragg, agg)مدل همگن:
(2- SEQ 2- * ARABIC26)از طرف دیگر نرخ واکنش الکتروشیمیایی در مدل همگن با استفاده از رابطه باتلر- ولمر به صورت زیر بدست می‌آید [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14]:
مدل همگن:
(2- SEQ 2- * ARABIC27)نهایتاً kC از تساوی دو رابطه REF _Ref330630372 h * MERGEFORMAT (2- 26) و REF _Ref330630376 h * MERGEFORMAT (2- 27) بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC28)
aeff سطح موثر پلاتین بر واحد حجم لایه کاتالیست است ([m2 m-3]). aوcبه ترتیب ضرایب انتقال بار سمت آند و کاتد میباشد.چگالی جریان مرجع می‌باشد که پرتاساراتی و همکارانش [REF _Ref332026674 h * MERGEFORMAT34] فرمول زیر را از برازش داده های تجربی پیشنهاد داده‌اند:
(2- SEQ 2- * ARABIC29)
غلظت مرجع اکسیژن می‌باشد که خواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14] مقدار آن را 1.2mol m-3گزارش کرده‌اند.
انتقال جرم اکسیژنخواجه حسینی و همکارانش [REF _Ref332025841 h * MERGEFORMAT14] توزیع غلظت اکسیژن را بر حسب چگالی جریان محلی پیل (i) به صورت زیر بدست آورده‌اند:
(2- SEQ 2- * ARABIC30)که در آن Itotوبه ترتیب چگالی جریان پیل سوختی و ضریب نفوذ مؤثر کلی اکسیژن در کل لایه کاتالیست می‌باشد.
همان‌طور که قبلاً اشاره شد فرض بر این است که فضای خالی بین توده‌ها از آب مایع پر شده است، بنابراین همان‌طور که در REF _Ref331173305 h * MERGEFORMAT شکل ‏25(الف) دیده می‌شود دو مسیر موازی برای رسیدن اکسیژن به محل‌های انجام واکنش وجود دارد:
مسیر اول:انتقال اکسیژن به وسیله حل شدن در فاز آیونومر موجود در لایه کاتالیست.
مسیردوم: انتقال اکسیژن از طریق حل شدن در آب مایع موجود در فضای خالی بین ذرات توده‌ای.
اکنون برای محاسبه ، هر یک از دو مسیر بالا با یک مقاومت نفوذ بر اساس کسر حجمی متناظر با هر بخشی که اکسیژن به درون آن نفوذ کرده مدلسازی میشود.بر این اساس با در نظر گرفتن یک حجم کنترل به صورت کروی به شعاع r حول یک توده به شعاع raggمی‌توانمقاومت نفوذ به درون تودهاز طریق هر یک از مسیرها را به صورت زیر محاسبه کرد:
(2- SEQ 2- * ARABIC31)مقاومت نفوذ مسیر اول:
مقاومت نفوذ مسیر دوم:
در اینجا NوWبه ترتیب نشان دهنده زاویه‌ای از فاز آیونومر و بخش حفره در حجم کنترل انتخاب شده می‌باشد، که با توجه به کسر حجمی فازهای غشاء (Li)، فاز جامد (LS) و فضای خالی (CL) برابرند با:
(2- SEQ 2- * ARABIC32)ونیز به ترتیب ضریب انتشار مؤثر اکسیژن در آیونومر و آب مایع می‌باشد که با استفاده از تصحیح برگمان به صورت زیر به دست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC33)
(2- SEQ 2- * ARABIC34)
ضریب نفوذ اکسیژن در آب مایع می‌باشد که با استفاده از رابطه وایلک- چنگ بدست می‌آید [REF _Ref332027179 h * MERGEFORMAT35]:
(2- SEQ 2- * ARABIC35)
که در آن، وزن مولکولی آب بوده و برابر باg/mol 18 است.، حجم مولار اکسیژن در نقطه جوش نرمال است که برابر باcm3/mol 25.6است. پارامتر وابستگی است که برای آب مقدار آن 2.26می‌باشد.ویسکوزیته آب بر حسب سانتی پوآز [cP]می‌باشد، وایت[REF _Ref332027206 h * MERGEFORMAT36] مقدار آن را برای آب مایع به صورت زیر پیشنهاد کرده است:
(2- SEQ 2- * ARABIC36)
اکنون مقاومت معادل دو مقاومت موازی مسیرهای اول و دوم به صورت زیر قابل محاسبه می‌باشد:
(2- SEQ 2- * ARABIC37)
با جانشین کردن معادله REF _Ref330634607 h * MERGEFORMAT (2- 32) درمعادله REF _Ref330634616 h * MERGEFORMAT (2- 31) و استفاده از معادلههای حاصله در رابطه REF _Ref330634659 h * MERGEFORMAT (2- 37)مقدار بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC38)
محاسبه افت فعال‌سازیمقاومت در برابر عبور جریان پروتونی و الکترونی در فازهای غشاء و جامد موجود در لایه کاتالیست مربوط به افت فعال‌سازیمی‌باشد و با استفاده از قانون اهم بدست می‌آید. مار و لی [REF _Ref332025950 h * MERGEFORMAT18] رابطه زیر را بدست آورده‌اند:
(2- SEQ 2- * ARABIC39)که در آن، keffوeffبه ترتیب قابلیت هدایت مؤثر پروتونی و الکترونی فازهای غشاء و جامد در لایه کاتالیست می‌باشد، با استفاده از تصحیح برگمان و کسر حجمی متناظر با هر فاز میتوان نوشت:
(2- SEQ 2- * ARABIC40)
مقادیر kو در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 آمده است.
شرایط مرزیمعادلات حاکم بر انتقال اجزاء یک دستگاه معادلات دیفرانسیل معمولی بوده که شامل معادلات REF _Ref330628605 h * MERGEFORMAT (2- 24)، REF _Ref330636162 h * MERGEFORMAT (2- 30) و REF _Ref330636169 h * MERGEFORMAT (2- 39)می‌باشد. این دستگاه معادلات مرتبه اول غیر خطی و کوپل است. برای حل این دستگاه سه شرط مرزی مستقل لازم است که در ادامه توضیح داده می‌شود:
شرایط مرزی در سطح مشترک لایه نفوذ گاز با لایه کاتالیست (z=0):حفره‌های موجود در سطح مشترک لایه نفوذ گاز با لایه کاتالیست پر از آب فرض شده‌اند(فرض (ث) در بخش REF _Ref331435271 r h ‏2-3-). بنابراین اکسیژن برای نفوذ به درون لایه کاتالیست باید در آب حل شود. از این‌رو غلظت اکسیژن در این مرز با استفاده از قانون هانری بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC41)که در آن ، ثابت هانری برای انحلال اکسیژن در آب می‌باشد. برناردی و همکارانش [REF _Ref332025833 h * MERGEFORMAT13] این پارامتر را به صورت تابعی از دمای پیل بر حسب atm m3 mol-1 گزارش کرده‌اند، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC42)
فرض بر این است که تمامی پروتون‌هایی که از لایه کاتالیست آند به سمت کاتد از درون غشاء مهاجرت می‌کنندقبل از رسیدن به مرز مشترک لایه کاتالیست با لایه نفوذ گاز کاملاً مصرف می‌شوند، بنابراین در این مرز میزان چگالی جریان پروتونی محلی صفر خواهد بود.
(2- SEQ 2- * ARABIC43)این دومین شرط در این مرز می‌باشد.
شرط مرزی در سطح مشترک غشاء با لایه کاتالیست (z=LCL):چگالی جریان محلی در این مرز به بیشینه مقدار خود، یعنی چگالی جریان کلی پیل،Itot، می‌رسد:
(2- SEQ 2- * ARABIC44)جایگذاری معادله REF _Ref330637704 h * MERGEFORMAT (2- 44)در معادله REF _Ref330636162 h * MERGEFORMAT (2- 30) نتیجه می‌دهد که شار غلظت اکسیژن در این مرز برابر با صفر است، این یعنی اینکه اکسیژن موجود در لایه کاتالیست نمی‌تواند از طریق این مرز به داخل غشاء عبور کند (شار نفوذ اکسیژن در این مرز صفر است).
تمامی شروط مرزی را که در بخش‌های REF _Ref331452886 r h * MERGEFORMAT ‏2-7-1- و REF _Ref331452893 r h * MERGEFORMAT ‏2-7-2- توضیح داده شده است، به صورت شماتیکی در REF _Ref331453206 h * MERGEFORMAT شکل ‏28 نشان داده شده است.

شکلSTYLEREF 1 s‏2SEQ شکل_ * ARABIC s 1 8: شماتیک شروط مرزی در دو طرف لایه کاتالیست.شرحی بر پارامترهای استفاده شده در مدل‌سازیمقدار برخی از پارامترهای ساختاری و عملکردی برای حالت پایه در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 گزارش شده است. باقیمانده پارامترها در ادامه توضیح داده می‌شوند.
مساحت سطح مؤثر پلاتیندر لایه‌های کاتالیست مدرن مساحت سطوح انجام واکنش بسیار بیشتر از مساحت اسمی لایه کاتالیست می‌باشد. این به دلیل زبری لایه کاتالیست است که مساحت واقعی واکنش را تا چندین هزار برابر افزایش می‌دهد[REF _Ref332024550 h * MERGEFORMAT4]. مساحت سطح مؤثر پلاتین،aeff، در حقیقت نسبت مساحت سطح واقعی انجام واکنش به حجم لایه کاتالیست است، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC45)در معادله REF _Ref330642170 h * MERGEFORMAT (2- 45)، l، نسبت سطح مؤثر پلاتین می‌باشد. As مساحت سطح واقعی واکنش بر واحد جرم پلاتین است. ایتک[REF _Ref332027291 h * MERGEFORMAT37] مقدار آن را به صورت تجربی بر حسب کسر جرمی پلاتین به فرم زیر بیان می‌کند:
(2- SEQ 2- * ARABIC46)
f نسبت بارگذاری جرمی پلاتین به بارگذاری جرمی کل فاز جامد (پلاتین + کربن) می‌باشد، یعنی:
(2- SEQ 2- * ARABIC47)
mPtوmCبه ترتیب بارگذاری جرمی پلاتین و کربن است که مقدار آن‌ها برای حالت پایه در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 گزارش شده است.
تخلخل لایه کاتالیستمساحت سطح مؤثر توده‌ها برابر با سطح تمامی توده‌ها (سطح در دسترس برای نفوذ اکسیژن به درون توده‌ها) بر واحد حجم لایه کاتالیست است، و به صورت زیر بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC48)در رابطه REF _Ref330643201 h * MERGEFORMAT (2- 48)،CLبه منظور محاسبه سطح در دسترس برای نفوذ اکسیژن به درون توده‌ها بکار برده شده است. پارامتر n درمعادله REF _Ref330643201 h * MERGEFORMAT (2- 48)، تعداد توده‌ها بر واحد حجم لایه کاتالیست می‌باشد و به صورت زیر تعریف می‌گردد:
(2- SEQ 2- * ARABIC49)تعداد توده‌ها (#) از تقسیم زیر بدست می‌آید:
(2- SEQ 2- * ARABIC50)
بنابراین:
(2- SEQ 2- * ARABIC51)که در آن Ls نسبت حجم کل Pt/C های موجود در لایه کاتالیست به حجم کل لایه کاتالیست است، یعنی:
(2- SEQ 2- * ARABIC52)
و Li,agg کسر حجمی غشاء درون هر توده می‌باشد،یعنی:
(2- SEQ 2- * ARABIC53)
که مقدار آن برای حالت پایه در REF _Ref331243557 h * MERGEFORMAT جدول ‏22 آمده است.
از آنجایی که درون توده‌ها فقط ذرات Pt/Cو فاز آیونومر است لذا می‌توان نوشت که:
(2- SEQ 2- * ARABIC54)
شایان ذکر است که حجم هر یک از توده‌ها برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC55)
کسر حجمی فاز جامد در لایه کاتالیست،Ls، به بارگذاری پلاتین و کربن وابسته است، بطوریکه:
(2- SEQ 2- * ARABIC56)PtوCبه ترتیب چگالی پلاتین و کربن می‌باشد.
فاز آیونومر درون لایه کاتالیست از دو قسمت تشکیل شده است: (الف) آیونومر درون ذرات توده‌ای (ب) فیلم نازک آیونومر اطراف ذرات. بنابراین کسر حجمی فاز غشاء در کل لایه کاتالیست برابر است با:
(2- SEQ 2- * ARABIC57)
نهایتاً تخلخل لایه کاتالیست از کم کردن کسر حجمی فازهای غشاء و جامد از عدد یک بدست می‌آید:

=19

رشته تحصیلی: ریاضی – آنالیز عددی تاریخ شروع پایان نامه: نیمسال اول 91
تاریخ اتمام پایان نامه: نیمسال دوم 92
استاد / استادان راهنما: جناب آقای دکتر جلیل رشیدی نیا
استاد / استادان مشاور: جناب آقای دکتر مجید امیر فخریان
آدرس و شماره تلفن: شهرک قدس، میدان صنعت، روبروی شهرک پردیسان، دانشگاه پیامبر اعظم
چکیده پایان نامه (شامل خلاصه، اهداف، روش های اجرا و نتایج به دست آمده) :
در این پایان نامه روش تفاضلی فشرده سه ترازی برای حل عددی معادله موج غیر خطی ارایه میشود . برای رفع بغرنجی و حل سیستم های حاصل، ازتکنیک روش ضمنی مسیر متناوب استفاده می کنیم که این روش تفاضلی دارای مرتبه همگرایی درو است وسپس با به کارگیری برون یابی ریچاردسون براساس پارامترهای سه ترازی زمانی روشی با دقت مرتبه چهارم در زمان و مکان ارائه شده است.
کلمات کلیدی : معادله ی موج ، روش ضمنی مسیر متناوب ، تفاضلات متناهی فشرده ، همگرایی
نظر استاد راهنما برای چاپ در پژوهش نامه دانشگاه مناسب است تاریخ و امضاء:
مناسب نیست
فهرست مطالب
عنوان صفحه
TOC h z t "فهرست مطالب;1" مقدمه PAGEREF _Toc250107858 h 1فصل اول: معادلات دیفرانسیل1-1- معادلات دیفرانسیل PAGEREF _Toc250107861 h 71-2- معادلات کلاسیک مربوط به فیزیک ریاضی PAGEREF _Toc250107862 h 81-3- کاربرد معادلات هذلولوی در فیزیک PAGEREF _Toc250107863 h 101-4- حل عددی معادله موج PAGEREF _Toc250107864 h 111-5- حل عددی معادلات غیر خطی PAGEREF _Toc250107865 h 141-6- روش نقطه ثابت PAGEREF _Toc250107866 h 141-7-روش نیوتن PAGEREF _Toc250107867 h 171-8- تعمیم روش نیوتن برای حل دستگاه های غیر خطی PAGEREF _Toc250107868 h 181-9- همگرایی PAGEREF _Toc250107869 h 22فصل دوم: روش ضمنی مسیرمتناوب و برون یابی ریچاردسون2-1- افرازها و نمادها PAGEREF _Toc250107873 h 252-2- روش ضمنی مسیرمتناوب برای حل معادلات موج دو بعدی PAGEREF _Toc250107874 h 262-3-تجزیه و تحلیل روش PAGEREF _Toc250107875 h 312-4- همگرایی روش PAGEREF _Toc250107876 h 332-5- روش ضمنی مسیر متناوب فشرده تعمیم یافته PAGEREF _Toc250107877 h 392-6- تجزیه و تحلیل روش PAGEREF _Toc250107878 h 432-7-همگرایی روش PAGEREF _Toc250107879 h 442-8- روش برونیابی ریچارد سون PAGEREF _Toc250107880 h 51فصل سوم: روش جدید مرتبه چهارم برای حل دسته‌ای از معادلات موج غیرخطی3-1-مقدمه PAGEREF _Toc250107883 h 543-2- روش ضمنی مسیر متناوب فشرده سه ترازی PAGEREF _Toc250107884 h 543-3- تجزیه و تحلیل همگرایی PAGEREF _Toc250107885 h 613-4- خطای نرم PAGEREF _Toc250107886 h 653-5- حداکثر خطا PAGEREF _Toc250107887 h 703-6- بهبود دقت در ابعاد زمان PAGEREF _Toc250107888 h 76فصل چهارم: مثالها و نتایج عددی4-1- مثال‌های عددی PAGEREF _Toc250107891 h 83نتیجه گیری PAGEREF _Toc250107892 h 113منابع PAGEREF _Toc250107893 h 114
مقدمهدر این پایان نامه درصدد تقریب عددی یک دسته از مسائل اولیه با مقدار مرزی از معادلات موج غیرخطی ذیل هستیم

،،و تابع هایی به اندازه ی کافی هموار هستند که سرعت همگرایی و سازگاری روش دیفرانسیل مسائل مورد نظر را حفظ می کنند.در معادله ذکر شده ثابت های مثبت و ثابت نا منفی می باشد. موارد خاص معادله موج ذکر شده در بالا در مجموعه ای گسترده از مسائل فیزیک ، شیمی ، زیست شناسی و...مطرح می شود.
به عنوان مثال اگر مثبت و و معادله مذکور به صورت معادله تلگرافدر می آید که دسته ای از پدیده هایی مانند: انتشار موج های الکترو مغناطیس در ابر رسانه ها و همین طور انتشار فشار امواج در گردش پلاستیکی خون در سرخ رگ ها و یا حرکت دوبعدی ذرات در جریان سیالات را بیان می کند.
زمانی که و باشد معادله ذکر شده یک معادله معروف غیر خطی کلین-گوردون می شود.
زمانی که با و معادله بالا به نوعی معادله ی سینو-گوردون متعلق است.
معادلات سینو- گوردون و کلین- گوردون همچنین مدل برخی از پدیده های فیزیکی[43 ،45 ،52] شامل انتشار حدفاصله در اتصال جوزفسون میان دو ابر رسانه ، تعامل راه حل ها در یک پلاسما بدون برخورد و ... از نوع معادلات موج هذلولوی هستند.
آنالیز جواب معادلات سینو- گوردون و کلین- گوردون در [52،53،57] بحث و بررسی شده است.
در طی سالیان محققان توجه زیادی به توسعه و کاربرد روش های فشرده با مرتبه بالا داشته اند.
روش ها فشرده مرتبه بالا در مقایسه با روش استاندارد دارای مزایای منحصر بفرد همچون دقت بالاو فشردگی برای امواج با دوره تناوب بالا هستند و دارای کاربرد در مسائل بسیاری مانند مسائل مالی، مکانیک کوانتوم ، بیولوژی و دینامیک سیالات می باشند. روش های تفکیک اپراتور همچون روش های ضمنی مسیر متناوب و روش های یک بعدی موضعی ثابت شده در تقریب جواب های مسایل هذلولوی چند بعدی بسیار مناسب و مفید هستند.
روش ضمنی مسیر متناوب اولین بار توسط دونالد پیچمن و هنری واچفورد درسال 1955و جیم داگلاس و راچفورد [23و29] برای حل ضمنی معادله گرمای دو بعدی مطرح گردید. این روش را در آن زمان با محدودیت های کامپیوتری موجود با ارائه روش تجزیه در تراز زمانی نصف گام حل کردند. آن ها ابتدا معادله گرما را در یک بعد و سپس در بعد دوم حل کردند هر یک از این افراد یک ماتریس سه قطری منحصر به فرد به دست اوردند و این روش به مرحله اجرا درامد. روش ضمنی مسیر متناوب به سرعت توسط داگلاس و راچفورد (1956) ، بریان (1961) و داگلاس(1962) به سه بعد توسعه یافت و داگلاس پیچمن و راچفورد پایداری و همگرایی روش را ثابت کردند.به خاطر اهمیت معادلات دیفرانسیل تحقیق روی الگوریتم های عددی آن ها همیشه یک موضوع فعال در محاسبات عددی به شمار می آید . امروزه روش های تفاضلی به طور مداوم مطرح می شوند و روش ضمنی مسیر متناوب برای معادلات چند بعدی به واسطه پایداری نا مشروط و کارایی بالا مورد توجه هستند.
روش یک بعدی موضعی که توسط دیاکولو [10و11] ارائه شد روش کارآمدی است که معادلات دویا سه بعدی را پی در پی به دستگاه های یک بعدی کاهش می دهد و روش یک بعدی موضعی توسعه یافته توسط وانگ [12و6] را می‌توان برای معادلات ناهمگن به کاربرد اما وجود عبارت های اختلالی زیاد دقت ان را تحت تأثیر قرار می‌دهد . روش ضمنی مسیر متناوب مرتبه دوم توسط کین را فقط می توان برای معادلات سه بعدی با شرایط مرزی همگن به کاربرد. با توجه به کاربرد روش های ضمنی مسیر متناوب برای حل معادلات هذلولوی و سهموی با مقادیر اولیه و مرزی این گونه روش ها مورد توجه قرار گرفتند [6و14و11و12و13و14و16و21و32] نتایج عددی به دست امده با دقت بالا و هزینه های محاسباتی پایین به توسعه روش ضمنی مسیر متناوب فشرده مرتبه بالا منجر شد. برای آشنایی بیشتر با روش ضمنی مسیر متناوب خواننده علاقه‌مند را به [21] ارجاع می دهیم. به تازگی توسعه و کاربرد روش های تفاضل متناهی فشرده برای حل معادلات نفوذ- انتقال پایای دوبعدی ، با استفاده از بسط سری ها معادله دیفرانسیل را به یک روش تفاضل متناهی فشرده نه نقطه ای مرتبه چهار توسعه دادند که جواب های عددی مرتبه بالا را نتیجه گرفتند به طور مشابه طرح فشرده مرتبه بالا توسط افراد دیگر توسعه یافت [19و28] دنیس و هاتسون [7] طرح مشابه با [12] را با استفاده از روش دیگر بدست آوردند.
نوی و تن [22] روش تفاضلی متناهی مرتبه سوم را برای حل معادلات نفوذ-انتقال ناپایای یک بعدی گسترش دادند این روش دارای دقت بالا و هزینه محاسباتی پایین و پایداری نامشروط است.
نوی و تن همچنین طرح ضمنی فشرده نه نقطه ای مرتبه سوم را برای حل معادلات نفوذ – انتقال ناپایای دو بعدی توسعه دادند این طرح دارای دقت مرتبه سه در مکان و مرتبه دو در زمان و ناحیه پایداری بزرگ است.
کالیتا و همکاران [14و29] مجموعه ای از طرح های فشرده مرتبه بالا را برای حل معادلات نفوذ-انتقال ناپایای دو بعدی با ضرایب معین بدست آوردند. به تازگی کارا و ژنگ یک روش ضمنی مسیر متناوب مرتبه بالا رابرای حل معادلات نفوذ- انتقال ناپایای دو بعدی ارائه کردند این روش که در آن روش کرانک نیکلسون برای گسسته سازی زمان و فرمول تفاضل متناهی فشرده مرتبه چهار چند نقطه ای مربوط به معادله نفوذ- انتقال ناپایای یک بعدی برای گسسته سازی مکانی استفاده می شود، دارای دقت مرتبه چهار در مسیر مکان و مرتبه دو در مسیر زمان و پایداری نامشروط و هزینه محاسباتی پایین است.
اخیرا روش های فشرده مرتبه بالای ضمنی مسیر متناوب که دارای دقت بالای روش های فشرده مرتبه بالا و کارآیی بالای روش های ضمنی مسیر متناوب هستند با موفقیت به جواب مسایل هذلولوی منجرشده است . بطور مثال در [45] ، کویی یک روش را برای معادلات سینو-گوردون ، تعمیم یافته دو بعدی بکار برد که این روش با مرتبه دو در زمان و مرتبه چهار در مکان است. یک دسته از روشهای فشرده مرتبه بالای ضمنی مسیر متناوب همواره پایدار برای معادلات تلگرافی چند بعدی در [63] تعبیه شده است. این روشها دارای دقت مرتبه چهار در مکان هستند ، اما تنها دارای دقت مرتبه دو در زمان می باشند.
جهت کارایی بیشتر محاسباتی ، کاربرد برون یابی ریچاردسون در روش فشرده مرتبه بالا در مسائل سینو-گوردون جایگزینی مناسب است . لوییس فراید ریچارد سون که یک ریاضی دان و فیزیک دان انگلیسی بود در قسمت هواشناسی و پیشگویی وضع هوا کار می کرد ریچاردسون شهرتش علاوه بر برون یابی در قسمت های دیگر ریاضی نیز مشهور است در سال1927روش برون یابی ریچاردسون توسط ریچاردسون و گرانت در پروژه - ریسرچای منتشرشد براساس این پروژه - ریسرچاین برون یابی را می توان در هر تقریب زمانی استفاده کرد این روش در مسایل آنالیز عددی کاربرد زیادی دارد ایده ای که پشت این روش است آن است که فرمول های با مراتب پایین تر که خطای برشی آن ها شناخته شده است مرتبه دقت آن ها بالا می رود یعنی از این روش برای ترکیب با روش هایی با مرتبه همگرایی پایین تر استفاده می شود تا دقت آن روش هارا بالا ببرد [72و73و74] .
به طور مثال ترکیب روش فشرده مرتبه بالای ضمنی مسیر متناوب با یک برون یابی ریچاردسون در حل معادلات سهموی خطی در [60] به کار برده شده است. ما ترکیب روش های فشرده مرتبه بالای ضمنی مسیر متناوب با برون یابی ریچاردسون را برای حل مسائل هذلولوی بررسی خواهیم کرد. در این پایان نامه با روش هایی مشابه با روش های به کار رفته در [45] ، یک سه ترازی مرتبه دوم در زمان و مرتبه چهار در مکان به دست می اوریم و روش های فشرده مرتبه بالای ضمنی مسیر متناوب برای حل معادله اولیه مرزی ذکر شده طراحی می کنیم. سپس یک برون یابی ریچاردسون بر اساس پارامترهای سه ترازی برای ایجاد جواب نهایی با مرتبه چهارم در زمان و مکان ایجاد می شود . و با روش گسسته سازی انرژی ، خطا را تخمین میزنیم . همچنین یادآوری می کنیم که یک برون یابی ریچاردسون دو ترازی در روش مرتبه دو نمی تواند دقت مرتبه چهار را حاصل کند حتی در مورد خطای برشی روش ضمنی مسیر متناوب دارای خطای برشی موقت به شکلاست.
در حقیقت ، به علت بسط مجانبی روش تقریب در تراز اول که شامل قدرت عجیبی در تراز است یک فرمول برون یابی ریچاردسون بر اساس سه تراز زمانی معرفی میشود.
در فصل اول توضیحاتی درباره معادلات دیفرانسیل خطی و غیر خطی و روش های حل آن ها داده می شود. در فصل دوم روش های ضمنی مسیر متناوب و روش های ضمنی مسیر متناوب فشرده و آنالیز و همگرایی آن ها و روش برون یابی ریچاردسون مطرح می شود در فصل سوم درباره ساخت روش فشرده مرتبه بالای ضمنی مسیر متناوب و آنالیز همگرایی بحث می کنیم و یک فرمول جدید برون یابی ریچاردسون بر اساس پارامترهای سه ترازی بدست می آوریم . سپس در فصل چهارم سه مثال عددی برای آزمایش عملکرد الگوریتم مطرح می شود و سپس یک نتیجه گیری کلی ارائه خواهیم کرد.
فصل اولمعادلات دیفرانسیل
1-1- معادلات دیفرانسیل[1]تعریف (1-1) معادلات دیفرانسیل: هر معادله شامل مشتق را یک معادله دیفرانسیل می نامیم که به دو نوع معمولی وجزئی تقسیم می شود.
تعریف (1-2) معادلات دیفرانسیل: رابطه بین متغیرو تابع وابسته و مشتقات مراتب مختلف آن را معادله دیفرانسیل معمولی می گویند که به صورت زیر تعریف می شود

مثال هایی از معادله دیفرانسیل معمولی به صورت زیر است:

تعریف(1-3) معادله دیفرانسیل با مشتقات جزئی : یک معادله دیفرانسیل با مشتقات جزئی معادله ای
شامل یک تابع نا مشخص از 2 یا بیش از 2 متغیر مستقل و مشتقات آن نسبت به آن متغیرهاست صورت کلی این گونه معادلات برای دو متغیر مستقل و و یک متغیروابسته عبارت است از:

تعریف (1-4) مرتبه معادله دیفرانسیل: بزرگترین مرتبه مشتق در یک معادله دیفرانسیل را مرتبه آن معادله دیفرانسیل می نامیم.
تعریف (1-5) درجه معادله دیفرانسیل: در یک معادله دیفرانسیل توان مشتق با بالاترین مرتبه را درجه معادله دیفرانسیل می نامیم.
تعریف (1-6) معادله دیفرانسیل با مشتقات جزیی خطی و غیر خطی
یک معادله دیفرانسیل با مشتقات جزئی را خطی نامیم هرگاه متغیرهای وابسته و مشتقات آن ها به صورت خطی ظاهر شود لذا در غیر این صورت معادله دیفرانسیل را غیرخطی می گویند
مثال/ نمونه ای از معادلات خطی:

نمونه ای از حالت غیر خطی:

تعریف (1-7) معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی شبه خطی:
معادلات دیفرانسیل با مشتقات جزئی را شبه خطی می نامیم اگر معادله نسبت به بالاترین مرتبه مشتقات جزئی که در معادله ظاهر می شود خطی باشد.
صورت کلی یک معادله دیفرانسیل شبه خطی برای دو متغیر مستقل خطی عبارتست از :

1-2- معادلات کلاسیک مربوط به فیزیک ریاضی [3]معادلات زیر که معادلات کلاسیک مربوط به فیزیک ریاضی می باشند:
معادله سهموی (1-1)
معادله هذلولوی (1-2)
معادله لاپلاس (1-3)
و این معادلات به ترتیب به معادله گرمای یک بعدی و معادلات موج یک بعدی و معادله لاپلاس دو بعدی مشهور هستند.
در حالت کلی می توان صورت کلی یک معادله هذلولوی شبه خطی مرتبه دوم را به شکل زیربیان کرد:
(1-4)
که در این معادله توابعی از می باشند
ولی بر حسب نیستند.
داریم:با فرض
(1-5)
فرض کنید منحنی در صفحه باشد مقادیر که مشتقات مرتبه دوم آن ها یعنی به گونه ای باشند که در روابط فوق صدق کنند خواهیم داشت:
s
(1-6)

(1-7)
با جایگذاری (1-7) و (1-6) در (1-5) داریم :

داریم:با ضرب این رابطه در

حال منحنی را طوری در نظر می گیریم که شیب مماس در هر نقطه روی آن ریشه معادله زیر باشد:
(1-8)
(1-9)
با توجه به اینکه معادله (1-8) یک معادله درجه دوم است می توان به کمک

سه حالت زیر را درنظر گرفت:
معادله هذلواوی می باشد.حالت اول: اگر
معادله سهموی می باشد.حالت دوم : اگر
معادله بیضوی حاصل می شود.حالت سوم: اگر
و به این ترتیب شیب جهات مشخصه (ریشه های معادله) مربوط به معادله (1-4) بایافتن ریشه های معادله درجه دوم (1-8) حاصل می شود.
1-3- کاربرد معادلات هذلولوی در فیزیک[1]در اینجا یک معادله دیفرانسیل جزئی هذلولوی را بررسی خواهیم کرد.
فرض می کنیم یک نخ قابل ارتجاع به طول بین دو نقطه اتکا در یک سطح افقی کشیده شده باشد هرگاه نخ چنان به حرکت در آید که در یک سطح قائم نوسان کند آن گاه تغییر مکان قائم یعنی یک نقطه ، در زمان در معادله دیفرانسیل جزئی

صدق می کند به شرطی که از اثرات بی حرکت کردن سیم صرف نظر شود و نوسانات خیلی بزرگ نباشد.
برای اعمال قیود روی این مسأله فرض می کنیم محل اولیه و سرعت نخ به صورت زیراست:

و از این امر استفاده می کنیم که نقاط انتهایی ثابت هستند که نتیجه می دهد:

مسائل فیزیکی دیگری شامل معادلات دیفرانسیل جزئی هذلولوی درمطالعه ی موج های نوسان کننده که یک یا دو انتهای آن با گیره نگه داشته می شود و انتقال الکتریسیته در یک خط انتقال طویل که در آن مقداری انتقال جریان به زمین وجود دارد ، رخ می دهد.
1-4- حل عددی معادله موج [1]مثالی از یک معادله دیفرانسیل جزئی هذلولوی را بررسی خواهیم کرد.
معادله دیفرانسیل
(1-10)
تحت شرایط

داده میشود که در آن یک ثابت است.برای بدست آوردن روش تفاضلی متناهی ، یک عدد صحیح مثبت و اندازه طول گام زمانی مثبت و انداره طول گام مکانی مثبت معرفی می شوند.
را انتخاب می کنیم. به طوریکه
تعریف می شوند.و بانقاط شبکه ای
و
معادله موج به حالت زیر می شود: در هر نقطه شبکه ای داخل

روش تفاضلی با استفاده از خارج قسمت تفاضل مرکزی برای مشتقات جزیی مرتبه دوم که با فرمول های زیر داده می شود بدست می آید:
(1-11)
به طوریکه است
(1-12)

با جایگذاری ( 1-12 ) و (1-11) در ( 1- 8 ) به دست می آوریم:
(1-13)
قضیه1-1 : مسأله مقدار مرزی : رجوع کنید به منبع ]4[
مسأله مقدار اولیه:

و مسأله مقدار اولیه

به طوری که جواب های منحصر به فرد دارند اگر بر دامنه بربه ازای یک پارامتر دلخواه

پیوسته باشند. الف)
وجود داشته باشدب) ثابت
پ)

1-5- حل عددی معادلات غیر خطی [1] مواجه هستیم به طوری کهما در معادلات غیر خطی موج با دستگاه معادلات غیرخطی

یا به طور ماتریسی

حال با روش نقطه ثابت به طور کلی حل معادله غیرخطی را بررسی می کنیم و سپس با تعمیم روش نیوتن درباره همگرایی اینگونه معادلات بحث می کنیم.
1-6- روش نقطه ثابت با فرض اینکه تابع در بازه تعریف شده باشد اگر در این بازه باشد به طوری که آنگاه را نقطه ثابت تابع می نامند.
با فرض اینکه ریشه معادله باشد در روش تکرار نقطه ثابت برای تعیین ابتدا معادله را به صورت می نویسیم بعنی را طوری تعریف می کنیم که اگر آن گاه و بر عکس برای به دست آوردن نقطه ی ثابت نقطه ی را به عنوان تقریبی برای آن انتخاب می کنیم و دنباله را به صورت زیر تعریف می کنیم :

تحت شرایط مناسب داریم:

است. یا ریشه معادله حد دنباله نقطه ثابت به عبارت دیگر
قضیه 1-2 : شرایط تابع در روش نقطه ثابت:
پیوسته و مشتق پذیر باشد و بازای هر در بازه الف) فرض کنیم تابع
داشته باشیم یعنی تابع بازه را به خودش می نگارد.
ب) فرض کنیم عددی مانند وجود داشته باشد به طوری که به ازای هر داشته باشیم که تابع دارای یک و تنها یک نقطه ثابت باشد.
آنگاه به ازای هر نقطه آغازین دنباله تعریف شده همگرا به است.
تولید می شود تابع تکرار می نامیم. را که توسط دنبالهدر قضیه بالا تابع
به گونه ای انتخاب شود، کمتر باشد ، آنگاه باید را به دست آوریم به طوری که خطا ازاگر بخواهیم بدست آورد.که تقریبی برای
در حالت خاص اگر نا مساوی را خواهیم داشت زیرا در این صورت عبارت را داریم .
درباره آهنگ همگرایی روش تکرار نقطه ثابت بیان می کنیم که اگر نقطه ثابت ریشه معادله باشد و در بازه ی در شرایط قضیه نقطه ثابت صدق می کند داریم:

اگر در بازه پیوسته باشد و به ازای هر داشته باشیم آنگاه خواهیم د اشت از انجایی که نتیجه می گیریم است. بنابراین داریم

پس برای های به قدر کافی بزرگ است که نشان می دهد خطا در هر گام متناسب با خطا در گام های قبلی است در چنین حالتی گفته میشود که همگرایی از مرتبه اول یا خطی است.
هر اندازه کوچکتر باشد سریعتر به سمت صفر میل می کند به ویژه سریعترین حالت وقتی است که باشد در این صورت برای تعیین مرتبه همگرایی فرض می کنیم که در بازه ی پیوسته باشد با به کار بستن بسط تیلور داریم

است نتیجه می شودبا فرض اینکه
ا
بدست می آوریم

بنابراین

آن گاه می توان گفت کهاگر

در این حالت همگرایی را از مرتبه دوم نامند به همین ترتیب می توان همگرایی از مرتبه بالاتر را تعریف کرد به طور کلی داریم که اگر دنباله ای باشد به طوری که قرار می دهیم

وجود داشته باشد به طوریکهو عدد مثبتاگر عدد حقیقی

آن گاه گفته می شود که مرتبه همگرایی به برابر است واضح است که هر چه بزرگتر باشد آهنگ همگرایی سریعتر است
1-7-روش نیوتنروش نیوتن حالت خاصی از روش تکرار ساده است و آن را به صورت زیر نشان می دهیم

فرض می کنیم به همگرا باشد اگر عددی مانند و ثابتی غیرصفر مانند وجود داشته باشد به طوری که

آن گاه را مرتبه همگرایی آن دنباله گوییم هرگاه همگرایی را خطی گویند. مرتبه همگرایی روش تکرار ساده وقتی یک است و روش تکراری نیوتن وقتیحداقل دو است برای کسب اطلاعات بیشتر به [1]رجوع شود.
حال روش نیوتن را برای حل دستگاه که یک دستگاه معادلات غیرخطی شامل معادله و مجهول می‌باشد ، به کار می‌بریم یعنی در حالت کل روش نیوتن را برای حل دستگاه‌های معادلات غیرخطی تعمیم می دهیم.
1-8- تعمیم روش نیوتن برای حل دستگاه های غیر خطیحال روش نیوتن را برای حل دستگاه که یک دستگاه معادلات غیرخطی شامل معادله و مجهول می‌باشد ، به کار می‌بریم یعنی در حالت کل روش نیوتن را برای حل دستگاه‌های معادلات غیرخطی تعمیم می دهیم.
دستگاه زیر را درنظر می گیریم:
(1-14)
که شکل یک دستگاه از معادلات غیرخطی است. اغلب مطلوب است که دستگاه را به گونه‌ای دیگر با تعریف یک تابع نمایش داد که است و

با استفاده از نماد بردار به منظور نمایش متغیرهای می‌نویسیم که است لذا دستگاه معادلات (1-14) شکل زیر را پیدا می‌کند.
(1-15)
می خواهیم یک ریشه برای معادله غیرخطی(1-15) بیابیم. در نظر می گیریم که یک دستگاه معادله و مجهول داریم که با استفاده از روش نیوتن آن را حل میکنیم.
هدف ، یافتن یک ریشه برای تابع ماتریس است که جواب واقعی آن است ، این جواب می تواند به عنوان یک نقطه ثابت برای بعضی از توابع در نظر گرفته شود که بوسیله روش تکرار نقطه ثابت بدست می‌آید ، داریم:
(1-16)
را تخمین اولیه (1-14) را در نظر می‌گیریم.که
ام باشد در مرحله تقریب جواب دستگاه (1-14) وبه طور کلی فرض کنید بردار
در این صورت

بنابراین خواهیم داشت داریمبا توجه به اینکه
...+ جملات شامل
درصورتی که به اندازه کافی به نزدیک باشد می‌توان از جملات شامل صرف نظر کرد بنابراین از (1-16) داریم:
(1-17)
مشتق را در با یا نشان می دهیم که به صورت زیر تعریف می شود و همان ماتریس ژاکوبی است.

در این صورت رابطه (1-17)کهماتریس ژاکوبی دستگاه باشد یعنیبنابراین هرگاه
را می توان به صورت زیر نوشت:
(1-18)
که در آن ماتریس ژاکوبین در نقطه است (1-18) را می توان به صورت باز نویسی کرد.
هرگز را محاسبه نمی کنیم بلکه از رابطه (1-18) و مثلاً ازروش حذفی گاوس را تعیین می نماییم.
با توجه به اینکه رابطه (1-18) یک دستگاه معادلات خطی است و دیگر غیر خطی نیست می توان مثلا روش حذفی گاوس را برای تعیینبه کار برد.

قرار می دهیم و روند را تکرار می کنیم تا به دقت مناسب برسیم.
تقریبی برای جواب دستگاه غیر خطی زیر بیابید مثال 1-4 : با

حل:

با حل دستگاه بالا داریم
بنابراین:

از دستگاه بالا بدست می آوریم

و از آن داریم

با ادامه روند جدول زیر را داریم:
جدول1-1.جواب های تقریبی مثال (1-4)

1 1.5
0.75 1.5
0.756944444 1.486111112
0.755982262 1.448035475
0.755983064 1.488033871
0.755983064 1.488033871
جدول همگرایی مرتبه دوم را نشان می دهد
قضیه1-3 : روش نیوتن برای حل دستگاه های معادلات غیر خطی همگرایی مرتبه دوم دارد. (اثبات به [1] مراجعه شود)
1-9- همگرایی [2]می دانیم که معادلات غیرخطی را می توانیم به دستگاه خطی تبدیل کنیم به طوری کهاگر ماتریسبسیار بزرگ باشد روش های تکراری روش های بهتری برای حل دستگاه خواهند بود.
ایده اصلی پشت روش های تکراری آن است که دستگاه به
(1-19)
از بردار جواب یک دنباله از تقریب هایتبدیل شودسپس با شروع از یک تقریب اولیه
به صورت
(1-20)
تعریف می شوند با این امید که تحت برخی شرایط معتدل دنبالههنگامی کهبه جواب همگرا گردد.
باشد. که معیار توقف همگرایی در روش های تکراری آن است که
اغلب ساختن یک حدس خوب از تقریب اولیه دشوار است.
بنابراین داشتن شرایطی که همگرایی (20-1)را برای هر انتخاب دلخواه از تقریب اولیه تضمین کند
مطلوب خواهدبود.
قضیه 1-4 : (قضیه همگرایی تکرار) : روش تکراری به یک حد با یک انتخاب دلخواه از تقریب اولیه همگرا می گردد اگر و فقط اگر ماتریس یعنی یک ماتریس همگرا باشد.
برای اثبات به[2] رجوع کنید.
کمتر از یک باشد. همگراست اگر و فقط اگر شعاع طیفیقضیه1 -5:
برای اثبات به [2] رجوع کنید.
نکته: به طور کلی نرخ همگرایی مجانبی روش تکراری به صورت است .

فصل دومروش ضمنی مسیرمتناوب وبرون یابی ریچاردسون
2-1- افرازها و نمادهابرای گسسته سازی زمانی ،طول گام زمان است و دو عدد صحیح مثبتN و n وجود دارد
به طوری که است.
به ازای هر
داریم :

درابعاداست به طوریو عدد صحیح مثبت میباشند.
تعریف می کنیم

شبکه های گسسته زیر را در نظر می گیریم

.

و داریم

که قرار می‌دهیم:
و

ما مشخص می کنیم:

گزینه های ، و میتواند به همان صورت تعیین شود.
ما یک بردار مکانی را بصورت زیر مشخص میکنیم:

اگر باشد آنگاه می باشد که این بردار به عنوان یک تابع شبکه با مقدار صفر در است

به ازای هر نتایج ضرب داخلی به صورت زیر مشخص می شود

مشابه آن و بخوبی تعیین میشود. بعلاوه ما داریم:

به طور مشابه ، مشخص میشوند. و داریم:

2-2- روش ضمنی مسیرمتناوب برای حل معادلات موج دو بعدیمعادله دیفرانسیل موج نا همگن دو بعدی زیر با شرایط اولیه و مرزی داده شده را روی دامنه در نظر می گیریم
(2-1)
(2-2)
(2-3)
که در آن دامنه مستطیل شکلی است که می باشد و است.
تابع هایی باندازه کافی هموار هستند به طوری که ،و
نامنفی است مثبت اند و ثابت ثابت های
شبکه بندی کرده و شبکه بدست بر را با استفاده ازنقاطدامنه
باشد همچنین اندازه گام شبکه مکانی در راستاهای نشان می دهیم اگر آمده را با
طول گام زمان است .

اگر در (1-2) قرار دهیم
(2-4) در نتیجه رابطه به صورت زیر نوشته می شود
(2-5)
(2-6)
(2-7)

گسسته سازی ضمنی کرانک نیکلسون روی معادله (2-4) و (5-5) به ترتیب به صورت زیر است:
(2-8)
(2-9)
هستند کهبه ترتیب مقدار تقریبی توابعفرض کنیم که:

در(2-8) بدست می آوریمبا ضرب
(2-10)
از(9-2) در(10-2) داریم: با جایگذاری عبارت

به عبارت دیگر:

(2-11)
باشد رابطه (2-11) به صورت زیر نوشته می شود:حال اگر
(2-12)
با افزودن عبارت اختلالی به سمت چپ (2-12) رابطه زیر را بدست می آوریم

(2-13)
روش ضمنی مسیر متناوب به صورت زیر است: با معرفی متغیر میانی

(2-14)

(2-15)
(2-16)
از ترکیب (2-14)- (2-16) داریم:
(2-17)
اما چون محاسبه مقدار مرزی رابطه میانی از این رابطه به سادگی امکان پذیرنیست با فرض کوچک چنین می شود:مقدار مرزی بودن
(2-18)
به کمک رابطه های (2-14)- (2-18) می توان معادله موج ناهمگن را حل کرد از طرف دیگر با دنبال کردن ایده داگلاس [9و10] روش داگلاس زیر را بدست می آوریم:

(2-19)
(2-20)
روی مرز به سادگی از رابطه (2-20) نتیجه می شودمتغیر میانی

به شرط کوچکی مقادیر مرزی متغیر میانی را معمولاً با استفاده ازتساوی ساده زیر محاسبه می کنیم.
روش ضمنی مسیر متناوب مطرح شده در [35] به صورت زیر است:
(2-21)
(2-22)

(2-23)
(2-24)

2-3-تجزیه و تحلیل روشبرای تحلیل خطای برشی از رابطه (13-2) این نتیجه بدست می آید:
(2-25)
طبق رابطه (2-9) داریم:
(2-26)
با گسسته سازی (4-2)و(5-2) مشابه رابطه های (25-2) و (26-2) می توان نوشت:
(2-27)
(2-28)
به ترتیب در (27-2) و (28-2) خطاهای گسسته سازی روش است.عبارت های
بنابراین خطاهای برشی به صورت زیر محاسبه می شود:

یا داریم :

به عبارت دیگر:

(2-29)

(2-30)
وجود دارند به طوریکه:از این رو ثابت های مثبت

2-4- همگرایی روش دنباله ای از اعداد حقیقی نا منفی استلم 1-2 (نا برابری گرونوال) : فرض کنید
که در عبارت زیر صدق می کند:

، ثابت های مثبت اند در این صورت نا برابری زیر را داریمو،که در آن

معادله های خطا از رابطه های (25-2) و (27-2) به صورت زیر بدست می اید:با فرض

(2-31)
برای راحتی کار زیر اندیس را از (2-31) حذف می کنیم بدون آنکه خللی در اثبات پیش بیاید. با محاسبه ضرب داخلی دو طرف (2-31) در عبارت واستفاده از لم (1-2) به آسانی نتیجه می‌شود

(2-33) =

(2-34)

(2-35)

(2-36)

(2-37)
(2-38)
در دو طرف رابطه های(2-33)-( 2-38) و جایگذاری در (2-31) داریم:با ضرب عبارت

(2-39)
چون (2-39) به ازای هرn برقرار است با جمع بستن روابط و تغییر اندیسn بهl داریم

با استفاده از قاعده تلسکوپی داریم:

به عبارتی دیگر

(2-40)
قضیه 2-1 : فرض کنید جواب های دقیق رابطه های (2-4) تا (2-7) به اندازه کافی هموار و
جواب های عددی رابطه های (2-14) تا (2-16) هستند.
قرار دهید در این صورت یک ثابت مثبت مستقل از و وجود دارد به طوریکه :

طبق (2-40) داریم لذا اثبات: فرض کنیم

فرض کنیم:

طبق لم (1-2) خواهیم داشت:

می باشد.از قضیه (1-2) نتیجه می شود که رابطه (2-31) دارای همگرایی از مرتبه
2-5- روش ضمنی مسیر متناوب فشرده تعمیم یافتهدر این بخش یک روش ضمنی مسیر متناوب فشرده برای حل عددی معادلات موج (2-1) تا (2-3) بیان می شود که :
(2-41)
(2-42)
(2-43)
با استفاده از گسسته سازی تفاضل متناهی فشرده مرتبه چهار [6و18] ، رابطه های (2-42) و (2-43)
را به صورت زیر گسسته می کنیم
(2-44)
(2-45)
به صورت: با گسسته سازی ضمنی کرانک نیکلسون رابطه (2-43) بازای

با ضرب (2-46) در و اعمال عملگر بر دو طرف رابطه و با استفاده از این مطلب که عملگرهای با یکدیگر جابه جا می شوند بدست می آوریم :

(2-47)
از ترکیب رابطه های (2-44) تا ( 2-47) داریم :

(2-48)
مشابه بخش (2-2) از (2-48) رابطه زیر بدست می آید :

(2-49)
به سمت چپ (2-49) رابطه زیر را نتیجه می گیریم:با افزودن عبارت

(2-50)
روش ضمنی مسیر متناوب فشرده زیر را بدست می آوریم:با معرفی متغیر میانی

(2-51)

(2-52)
(2-53)
از (2-51) ، (2-52) و (2-53) معادله مرزی زیر نتیجه می شود:
(2-54)
اما چون محاسبه مقدار مرزی متغیر میانی از این رابطه به سادگی امکان پذیر نیست،مقادیر مرزی متغیر میانی را با فرض کوچک از رابطه (2-54) بدست می آوریم. بودن
(2-55)
به علاوه با دنبال کردن ایده داگلاس [10و9] می توان روش ضمنی مسیر متناوب فشرده را به صورت زیر بیان کرد
به عبارت دیگر

(2-56)
(2-57)
از رابطه (2-57) معادله مرزی زیر نتیجه می شود:

و روش ضمنی مسیر متناوب فشرده [35] به صورت زیر است:

(2-58)
(2-59)

2-6- تجزیه و تحلیل روش
(2-60)
با گسسته سازی مشابه رابطه (60-2) داریم:

(2-61)
بنابراین خطای برش به صورت زیر محاسبه می شود:

-)

(2-62)

را می توان به صورت زیر بازنویسی کرد:

(2-63)

(2-64)
وجود دارند به طوری کهثابت های مثبت

2-7-همگرایی روشاگر داشته باشیم

معادله خطا به صورت زیر در می آید:

(2-65)
بدون آنکه خللی در اثبات پیش بیاید با استفاده از لم (1-2) و نابرابری کوشی شوارتز و محاسبه ضرب داخلی دو خواهیم داشت: طرف (65-2) درعبارت

(2-66 )

(2-67)

(2-68)

(2-69)

(2-70)

(2-71)
در دوطرف رابطه های (2-66) - (2-71) و از (2-65) نتیجه می گیریم: با ضرب عبارت

(2-72)
چون(2-72) بازای هر برقرار است با جمع بستن این رابطه ها بازای و تغییر اندیس به خواهیم داشت :

با استفاده از قاعده تلسکوپی داریم:

با فرض داریم:

قضیه 2 -2 : فرض کنید جواب های دقیق برای رابطه های (2-4) تا (2-7) به اندازه کافی
هموار و جواب های عددی حاصل از رابطه های (2-51) تا (2-53) هستند که اگر قرار دهید:
در این صورت یک ثابت مثبت مستقل از وجود دارد به طوریکه:

اثبات: باتوجه به رابطه (2-74) داریم:

بنابراین

داریم:با فرض

طبق لم( 2-1 ) خواهیم داشت:

است. از قضیه( 2-2 ) نتیجه می شود که رابطه (2-72) دارای همگرایی از مرتبه
2-8- روش برونیابی ریچارد سون: [72و73]
در این روش با ترکیب دو تقریب برای یک کمیت تقریب دقیق تری برای آن بدست می آید فرض
باشد , با دقت تقریبی از مقدار واقعی یک کمیت کنیم

هستند بنابراین:ثابت و مستقل ازکه

است.زیرا با دقت تقریبی از اماحال قرار می دهیم

به همین ترنیب می توان تقریب هایی برای بادقت بدست آورد .تقریب در روش برونیابی ریچاردسون را می توان به صورت آرایه مثلثی زیر نشان داد

که در آن مؤلفه ها ، مرتبه و خطای آن ها به صورت زیر قابل محاسبه است:

فصل سومروش جدید مرتبه چهارم برای حل دسته‌ای از معادلات موج غیرخطی
3-1-مقدمهمادرصدد تقریب عددی یک دسته از مسائل اولیه با مقدار مرزی از معادلات موج غیرخطی ذیل هستیم
(3-1)
(3-2)
(3-3)

،و تابع هایی باندازه کافی هموار هستند که سرعت همگرایی و سازگاری روش دیفرانسیل مسائل مورد نظر را حفظ می کنند.
3-2- روش ضمنی مسیر متناوب فشرده سه ترازیدر این بخش با استفاده از روشهای مشابه با [45] یک روش دیفرانسیل ضمنی مسیر متناوب فشرده برای حل مسأله مقدار اولیه مرزی (1-1)- (3-1) مطرح می شود
داریم:

بنابراین

و داریم

به طوری کهتقریباست بنابراین تقریباست.بنابراین

و یک اپراتور خطی و یک تابع شبکه مشخص بر دامنه است به طوری که داریم:

با مشخص کردن اپراتورهای متفاوت و توسعه مجموعه های تیلور با باقی مانده مک لورن داریم:

از روش نیومرو [4] می دانیم

(4-3)
بنابراین خواهیم داشت

از رابطه (3-4) خواهیم داشت
(3-5)
داریم به همین ترتیب همین روابط را برای بعد مکانی

داریماز تعریف اپراتور

باین ترتیب مسأله مقدار اولیه با مقدار مرزی (3-1) را به صورت زیر بدست می آوریم
(3-6)
به طوری که

توسعه مجموعه های تیلور با باقی مانده مک لورین معادله زیر را نتیجه میدهد:

(3-7)
داریمبرای
(3-8)

پس از قرار دادن (3-8) در (3-7) و مرتب کردن دوباره آن ماداریم:

بنابراین

سپس رابطه زیر را بدست می آوریم

حال اگر قرار دهیم

از رابطه (3-7) بدست می آوریم
(3-9)
عبارت اختلال را به صورت زیر در نظر می گیریم

حال با اضافه کردن عبارت اختلال به (3-9) خواهیم داشت

بنابراین داریم

در نتیجه خواهیم داشت

(3-10)

که و به ترتیب تنها به i و j بستگی دارند وو به یکدیگر تبدیل می شوند. مشابه آن ها دو اپراتور و نیز به یکدیگرتبدیل می شوند ، یعنی است.
حال با ضرب در رابطه (3-10) بدست می آوریم

(3-11)
خطای برشی رابطه (3-11) است که طبق اثبات قضیه (2-2) در فصل قبل داریم:به طوری که
(3-12)
با حذف خطای برشی در (3-11) و جایگذاری بامقدار تقریبی داریم :

(3-13)
به طوری که

حال با ضرب در (3-13) و ارائه دو متغیر میانی و یک روش ضمنی مسیر متناوب داگلاس- گان [5و60] بصورت زیر به دست می آید

(3-14)
که بدست می آوریم:

(3-15)
(3-16)

که معادلات (3-14)و(3-15)حل میشود، ما به شرایط مرزی زیر نیاز داریم:

(3-17)
که رابطه (3-17) از مسأله مقدار اولیه مرزی (3-1) تا (3-3) و به کار بردن روابط (3-15) و (3-16) حاصل میشود.
می دانیم که به طور کلی معادلات (3-14) تا (3-16) یک روش دیفرانسیل ضمنی مسیر متناوب سه ترازی است.

ما به برای شروع محاسبه نیاز داریم که. با استفاده از روابط مسأله مقدار اولیه با مقدار مرزی (3-1) تا (3-3) حل می شود به این ترتیب که با به کاربردن بسط تیلور با باقی مانده انتگرال داریم:
(3-18)
با به کاربردن مسأله مقدار اولیه با مقدار مرزی (3-1) تا (3-3) ما می توانیم و را محاسبه کنیم.
و سپس با به کاربردن ،و در (3-18) خواهیم داشت:

با به کار بردن فرمول (3-18) و چشم پوشی از خطای برشی داریم:

بدست می آوریم

و در نتیجه خواهیم داشت

(3-19) +

بنابراین با استفاده ازروابط مسأله مقدار اولیه مرزی و به کار بردن رابطه (3-19)،و را بدست خواهیم آورد.
سپس رویه حذف را اجرا میکنیم تا و را از روابط (3-14) تا ( 3-16) بدست آوریم.
در نهایت با رابطه (3-16) تعیین میشود.
از روابط بدست آمده می دانیم که طبق قضیه (1-1) دارای جواب است و ماتریس ضرایب پیوسته است.
3-3- تجزیه و تحلیل همگراییدر این بخش ، برآورد خطا های مختلف با استفاده از روش گسسته سازی نرم انرژی داده شده است.در این قسمت چند لم کاربردی بیان می شود.
لم3-1- رجوع کنید به [51]. برای هر تابع شبکه ، هر گاه شرایط زیر برقرار باشد
و
آن گاه داریم

اثبات:

بنابراین

و اثبات کامل می شود.
لم3-2- رجوع کنید به [42و45] .اگرتابع شبکه آن گاه

برقرار است.
لم3-3-رجوع کنید به [60و59] اگر برای تابع شبکه ، برقرار باشد
آن گاه ثابت مثبتوجود دارد به طوری که
اثبات:

داریمبازای هر

بدست می آوریم

اثبات کامل می شود.
لم3-4- رجوع کنید به [20]. اگر و دنباله زمانی باشند آن گاه داریم

(3-20)
اثبات:
اثبات(a

برقرار است بنابراین داریممثبت ، رابطه می‌دانیم بازای هر

اثبات b)
با تفریق رابطه (3-13) از (3-11) و قرار دادن رابطه های

به طوری که

داریم:

حال با ضرب رابطه بالا در خواهیم داشت :

=
به راحتی رابطه زیر حاصل می شود

با تفریق(3-18) از (3-19) داریم

در نهایت خواهیم داشت
(3-20)
اثبات کامل می شود.
3-4- خطای نرم
ابتدا فرض میکنیم که ثابت های مثبت وجود دارد به طوری که برای هر و طبق قانون لیپ شیتز داریم:
(3-21)
بنابراین با قرار دادن ما فرض میکنیم که ثابت مثبت بگونه ای است که است.
می دانیم که است .
با فرض این که چهار ثابت مثبت و وجود دارد ،به طوری که

(3-22)
بدنبال آن ما استقراریاضی را برای اثبات قضیه (1-3 ) بکار میبریم.
قضیه 3-1: هرگاه
1- تابع شبکه حل عددی روش دیفرانسیل (3-14) تا (3-16) و (3-19) در سطح زمان k باشد.
2- تابع شبکه جواب حقیقی مسأله مقدار اولیه مرزی(3-1)تا
(3-3) در زمان باشد.
آن گاه تحت رابطه (3-21) و فرض ، داریم:
(3-23)

به طوری که
اثبات: واضح است که (3-23) برایk=0,1 معتبر است. حال فرض میکنیم که (3-20) برای k=0,1,….L(2<L<n-1) صدق می کند. نشان می دهیم که (3-20) برای k=L+1 نیزصدق می کند .
می‌دانیم که است.

از فرضیات قیاس است که:

اگر و باندازه کافی کوچک باشند ترکیبی از فرضیات (3-21) با (3-24) بیان می کند

می دانیم
(3-25)
(3-26)
حال رابطه اول (3-20) را در نظر می گیریم

رابطه را به صورت زیر می نویسیم

را به صورت زیر تعریف می کنیم

(3-27)
که نابرابری زیر به راحتی بدست می آید

و لم ( 3-1 ) و ( 3-2 ) را اعمال میکنیم و باتوجه بهداریم:
(3-28)
(3-29)
حال برای بدست آوردن چنین عمل می کنیم

بنابراین با استفاده از روابط (3-22) رابطه زیر به راحتی بدست می آید

به طور کلی
(3-30)
(3-31)
با ضرب داخلی اولین معادله (3-20) در و سپس استفاده از گسسته سازی داریم:

=
داریم

که با استفاده از روابط (3-25) و (3-26) به دست می آوریم

+
+

که به راحتی می بینیم

(3-32)
با ضرب دو طرف (3-32) در

که به آسانی دیده می شود

با استفاده استفاده از روابط (3-27) تا (3-31) و به کاربردن نابرابری گرونوال خواهیم داشت:
(3-33)
که با استفاده از (3-32) و (3-33) مشخص است که:
(3-34)

به این ترتیب ثابت شد که (3-25) برای معتبر است و اثبات کامل شد.
3-5- حداکثر خطابرای حداکثر خطا ، ما سه فرض داریم:
1- با فرض اینکه برقرار باشد فرض میکنیم که ثابتمثبت است به طوری که:
(3-35)
2- فرض میکنیم که ثابت های مثبت و وجود دارد واست.
داریم:

3- فرض میکنیم که دو ثابت μ3 وμ4وجود دارندبه طوری که:

(3-37)
اکنون میتوانیم با در نظر گرفتن فرضیات بالاقضیه زیر را ثابت کنیم.
قضیه 3-2: هرگاه تابع شبکه جواب عددی روش تفاضلی(3-14) و (3-17) و (3-19) ، در تراز زمانیو جواب واقعی مسأله مقدار اولیه مرزی (3-1) تا (3-3) در زمان باشد با در نظر گرفتن روابط (3-21) و (3-23) و (3-32) و اینکه آنگاه خطای زیر تقریب زده میشود

(3-38)
برای داریم:

وثابت، مثبت است و تنها وابسته به و است
اثبات:
با استفاده از لم ( 3-1 ) و به کار بردن روابط و (3-26) خواهیم داشت:

به اندازه کافی کوچک است.
حال با ترکیب روابط (3-35) و (3-36) داریم:

که تنها وابسته به و است.
بنابراین با استفاده ازقضیه (1-3) می بینیم که:

(3-39)
از ترکیب قضیه (3-1 ) با رابطه (3-21) داریم:
(3-40)
روابط زیر را تعریف می کنیم :

به طوری که

(3-41)
داریم

به طوری که

(3-42)
داریم

به طوری که

(3-43)
داریم

به طوری که
(3-44)
به طوری که از لم (3-1) و (3-2) داریم

از این رابطه می دانیم:
(3-45)
(3-46)
(3-47)

با ضرب داخلی معادله (3-20) در عبارت داریم

بدست می آوریم :

از روابط بالا بدست می آوریم

با به کار بردن گسسته ساز ی و استفاده از لم (3-2) و (3-4 ) و قرار دادن بدست آوریم
:

(3-48)

بنابراین با روابط (3-46) و (3-48) داریم:

(3-49)
بنابراین با به کاربردن لم گرونوال بر (3-49) داریم:

(3-50)

اثبات کامل می شود.
قضیه3-3 :هرگاه جواب واقعی مسأله مقدار اولیه با مقدار مرزی (3-1) و (3-3) باشد. آنگاه با به کار بردن قضیه (3-2) جواب عددی روش ضمنی مسیر متناوب جدید (3-14)تا (3-16) و (3-19) با مرتبه در همگرا میشود.
اثبات: با به کار بردن لم3-3 و قضیه2-2، ما به راحتی قضیه(3-3) را بدست میاوریم
3-6- بهبود دقت در ابعاد زماندر حقیقت یک کران مشخص در (50-3) به صورت زیر است:

که از لم (3-3)داریم

که ثابت است.
برای رسیدن به جواب عددی مرتبه چهار در مسیر زمان ، یک برون یابی ریچاردسون سه ترازی را ایجاد می کنیم .
قضیه 3-4: هرگاه تابع جواب واقعی مسأله مقدار اولیه مقدار مرزی
(3-1) تا (3-3) باشد و جواب عددی روش ضمنی مسیر متناوب (13-14)تا (3-16) و (3-19) در زمان باشد.

وجواب مسأله برون یابی در تراز زمانی به صورت زیر تعریف شود:
(3-51)
آن گاه با به کار بردن قضیه ( 3-2 ) خواهیم داشت:
(3-52)
اثبات:
با فرض اینکه

از (3-12) بدست می آوریم:

ما فرض میکنیم که و برای دو مسأله مقدار اولیه با مقدارمرزی به صورت زیر است:
(3-53)
و
(3-54)
که داریم

توابع عضو شبکه هستندبه طوری که

همانند (3-11) ما میتوانیم معادلات دیفرانسیل مربوط به آنها را بصورت زیر گسترش دهیم:
(3-55)
به طوری که

به همین ترتیب
(3-56)
به طوریکه:

با ضرب روابط (3-55) در و (3-56) در و جمع کردن آن ها و سپس کم کردن نتیجه سیستم از (3-20) خواهیم داشت :

واضح است که بردار است.

—d1221

2-2-3-1-مسأله پوشش مجموعه19
2-2-3-2- مسأله مکانیابی حداکثر پوشش21
2-2-3-3- مسائل p-center22
2-2-3-4- مسائل p-median23
2-2-4- مسائل دیگر مکانیابی24
2-2-5- مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم25
2-2-5-1- مرور ادبیات مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم26
2-2-5-2- مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم29
2-3- نظریه صف35
2-3-1- مشخصات صف36
2-3-2- قانون لیتِل38
2-3-3- صف M/M/139
2-4- مسائل بهینه سازی چندهدفه40
2-4-1- فرمول بندی مسائل بهینه سازی چندهدفه40
2-4-2- الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه سازی مسائل چندهدفه بر مبنای الگوریتم ژنتیک41
2-4-2-1- الگوریتم ژنتیک مرتب سازی نامغلوب42
2-4-2-2- الگوریتم NSGA-II محدود شده45
2-4-2-3- الگوریتم ژنتیک رتبه بندی نامغلوب46
2-4-3- الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه سازی مسائل چندهدفه بر مبنای سیستم ایمنی مصنوعی49
2-4-3-1- سیستم ایمنی مصنوعی49
2-4-3-1-1- مفاهیم ایمنی49
2-4-3-1-2- ایمنی ذاتی51
2-4-3-1-3- ایمنی اکتسابی51
2-4-3-1-4- تئوری شبکه ایمنی52
2-4-3-1-5- الگوریتم ایمنی مصنوعی53
2-4-3-1-6- سیستم ایمنی مصنوعی و مسائل بهینه سازی چندهدفه54
2-4-3-2- الگوریتم MISA56
2-4-3-3- الگوریتم VIS61
2-4-3-4- الگوریتم NNIA64
2-5- روش‌های اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌های چندهدفه67
2-5-1- فاصله نسلی68
2-5-2- درجه توازن در رسیدن همزمان به اهداف69
2-5-3- مساحت زیر خط رگرسیون70
2-5-4- تعداد جواب‌های غیرمغلوب نهائی71
2-5-5- فاصله گذاری71
2-5-6- گسترش72
2-5-7- سرعت همگرائی73
2-5-8- منطقه زیر پوشش دو مجموعه73
2-6- جمع بندی74
فصل سوم: مدل سازی مسأله و توسعه الگوریتم‌ها76
3-1- مسأله موردتحقیق77
3-2- طراحی الگوریتم‌ها81
3-2-1- تطبیق الگوریتم‌ها با مسئله موردبررسی81
3-2-1-1- ساختار حل‌ها81
3-2-1-2- معیار توقف82
3-2-2- تطبیق الگوریتم NSGA-II برای مسئله موردبررسی83
3-2-3- تطبیق الگوریتم CNSGA-II برای مسئله موردبررسی84
3-2-4- تطبیق الگوریتم NRGA برای مسئله موردبررسی85
3-2-5- تطبیق الگوریتم MISA برای مسئله موردبررسی85
3-2-6- تطبیق الگوریتم VIS برای مسئله موردبررسی85
3-2-7- تطبیق الگوریتم NNIA برای مسئله موردبررسی86
فصل چهارم: تجزیه و تحلیل داده‌ها87
4-1- تولید مسأله نمونه88
4-2- اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌ها براساس معیارها89
4-3- تجزیه و تحلیل نتایج92
فصل پنجم: نتیجه گیری و مطالعات آتی100
5-1- نتیجه گیری101
5-2- مطالعات آتی102
فهرست منابع و مراجع103
پیوست الف: محاسبه معیارهای هشت گانه برای الگوریتم های استفاده شده105
پیوست ب: نمودارهای بدست آمده از تجزیه و تحلیل نتایج113
پیوست ج: یک نمونه مسئله حل شده توسط الگوریتم NSGA-II118
پیوست د: کد برنامه نویسی الگوریتم NSGA-II در محیط MATLAB123

فهرست اشکال
شکل 2-1- مدل پایه‌ای صف36
شکل 2-2- مجموعه حل‌های غیرمغلوب41
شکل 2-3- نمایشی از نحوه عملکرد NSGA-II43
شکل2-4- الگوریتم NRGA47
شکل 2-5- سلول B، آنتی ژن، آنتی بادی، اپیتوپ، پاراتوپ و ادیوتوپ50
شکل 2-6- فلوچارت الگوریتم MISA57
شکل 2-7- یک شبکه تطبیقی برای رسیدگی به حافظه ثانویه60
شکل 2-8- فلوچارت الگوریتم VIS62
شکل 2-9- تکامل جمعیت NNIA65
شکل 2-10- نمایش حل‌های مناسب69
شکل 2-11- مساحت زیر خط رگرسیون70
شکل 2-12- بیشترین گسترش73
شکل 3-1- مکانیسم عملگر تقاطع83
شکل 4-1- نمودار همگرایی الگوریتم‌ها براساس شاخص MID90
شکل 4-2- نتیجه بدست آمده از آنالیز واریانس برای معیار تعداد جواب‌های غیرمغلوب94
شکل 4-3- نتیجه بدست آمده از آزمون توکی برای معیار تعداد جواب‌های غیرمغلوب95
شکل 4-4- نتیجه به دست آمده از آنالیز واریانس برای تعداد جواب‌های غیرمغلوب97

فهرست جداول
جدول 4-1- مشخصات هر نمونه88
جدول 4-2- گروه بندی الگوریتم‌ها براساس معیار تعداد جواب‌های غیرمغلوب96
جدول 4-3- مقایسه الگوریتم‌ها ازنظر معیارهای مختلف و در حالت‌های گوناگون98
جدول 4-4- متوسط معیارهای الگوریتم‌ها و رتبه بندی الگوریتم‌ها براساس آن99
4221207272
82867519050 1
00 1

تعریف مسأله

1-1- مقدمه
با رشد روز افزون معاملات تجاری در سطح جهان و در سال‌های اخیر، ظهور پدیده تجارت الکترونیک و بانکداری الکترونیک به عنوان بخش تفکیک ناپذیر از تجارت الکترونیک مطرح شد. بانکداری الکترونیک اوج استفاده از فناوری انفورماتیک و ارتباطات و اطلاعات برای حذف دو قید زمان و مکان از خدمات بانکی است. ضرورت یک نظام بانکی کارامد برای حضور در بازارهای داخلی و خارجی ایجاب می‌کند تا بانکداری الکترونیک نه به عنوان یک انتخاب، بلکه ضرورت مطرح شود. امروزه پایانه فروش، پایانه شعب، دستگاه‌های خودپرداز و ... نماد بانکداری الکترونیک است و یافتن مکان بهینه برای این پایانه‌ها و دستگاه‌ها می‌تواند نقش مهمی در حضور یک بانک یا مؤسسه در بازارهای داخلی و خارجی داشته باشد [1].
1-2- مکانیابی تسهیلات
فرض کنید که یک شرکت رسانه‌ای می‌خواهد که ایستگاه‌های روزنامه را در یک شهر ایجاد کند. این شرکت در حال حاضر جایگاه‌هایی را به صورت بالقوه در شهرهای همسایه اش مشخص کرده‌است و هزینه ایجاد و نگهداری یک جایگاه را می‌داند. همچنین فرض کنید که تقاضای روزنامه در هر شهر همسایه مشخص است. اگر این شرکت بخواهد تعدادی از این ایستگاه‌ها را ایجاد کند، باتوجه به مینیمم کردن کل هزینه‌های ایجاد و نگهداری این ایستگاه‌ها و همچنین متوسط مسافت سفر مشتریان، این ایستگاه‌ها در کجا باید واقع شوند؟
سؤال قبل یک مثال از مسأله مکانیابی تسهیلات بود. مکانیابی تسهیلات یعنی اینکه مجموعه‌ای از تسهیلات (منابع) را به صورت فیزیکی به گونه‌ای در یک مکان قراردهیم که مجموع هزینه برآورده کردن نیازها (مشتریان) باتوجه به محدودیت‌هایی که سر راه این مکانیابی قرار دارد، مینیمم گردد.
از سالهای 1960 به این طرف مسائل مکانیابی یک جایگاه ویژه‌ای را در حیطه تحقیق در عملیات اشغال کرده‌اند. آنها وضعیت‌های مختلفی را درنظر گرفته‌اند که می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد: تصمیم گیری در مورد مکان کارخانجات، انبارها، ایستگاه‌های آتش نشانی و بیمارستان‌ها.
به طور اساسی، یک مسأله مکانیابی بوسیله چهار عنصر زیر توصیف می‌شود:
مجموعه‌ای از مکانها که در آن‌ها، تسهیلات ممکن است ایجاد یا باز شوند. برای هر مکان نیز بعضی اطلاعات درمورد هزینه ساخت یا باز نمودن یک تسهیل در آن مکان مشخص می‌شود.
مجموعه‌ای از نقاط تقاضا (مشتریان) که برای سرویس دهی به بعضی از تسهیلات اختصاص داده شوند. برای هر مشتری، اگر بوسیله یک تسهیل معینی خدمت‌رسانی شود، بعضی اطلاعات راجع به تقاضایش و درمورد هزینه یا سودش بدست می‌آید.
لیستی از احتیاجات که باید بوسیله تسهیلات بازشده و بوسیله تخصیص نقاط تقاضا به تسهیلات برآورده شود.
تابعی از هزینه یا سودهایی که به هر مجموعه از تسهیلات اختصاص پیدا می‌کند.
پس هدف این نوع مسائل، پیدا کردن مجموعه‌ای از تسهیلات است که باید باتوجه به بهینه کردن تابع مشخصی باز شوند.
مدل‌های مکانیابی در یک زمینه گسترده از کاربردها استفاده می‌شود. بعضی از این موارد شامل موارد ذیل است: مکانیابی انبار در زنجیره تأمین برای مینیمم کردن متوسط زمان فاصله تا بازار؛ مکانیابی سایت‌های مواد خطرناک برای مینیمم کردن درمعرض عموم قرار گرفتن؛ مکانیابی ایستگاه‌های راه آهن برای مینیمم کردن تغییرپذیری زمان بندی‌های تحویل بار؛ مکانیابی دستگاه‌های خودپرداز برای بهترین سرویس دهی به مشتریان بانک و مکانیابی ایستگاه‌های عملیات تجسس و نجات ساحلی برای مینیمم کردن ماکزیمم زمان پاسخ به حادثه‌های ناوگان دریایی. با اینکه این پنج مسأله توابع هدف مختلفی دارند، همه این مسائل در حوزه مکانیابی تسهیلات واقع می‌شوند. درواقع، مدل‌های مکان‌یابی تسهیلات می‌توانند در موارد ذیل متفاوت باشند: توابع هدفشان، معیارهای فاصله‌ای که به کار می‌برند، تعداد و اندازه تسهیلاتی که قرار است مکانیابی شوند و چندین معیار تصمیم گیری مختلف دیگر. بسته به کاربرد خاص هر مسأله، درنظرگرفتن این معیارهای مختلف در فرموله کردن مسأله، منتهی به مدل‌های مکانیابی بسیار متفاوتی خواهدشد.
1-3- بیان مسأله
هدف از اجرای این تحقیق، مکان‌یابی سیستم‌های خدمات رسانی ثابت با ظرفیت خدمت محدود می‌باشد. یعنی دستگاه‌های خدمت‌رسان به چه تعداد و در چه محل‌هایی استقرار یابند و چه مراکز تقاضایی به این دستگاههای خدمت‌رسان تخصیص یابند. در چنین سیستم‌هایی، زمانی که برای انجام سرویس موردنیاز است تصادفی است و همچنین تقاضای انجام خدمت در نقاط تصادفی از زمان می‌رسند که این تقاضا از جمعیت بزرگی از مشتریان سرچشمه می‌گیرد و معمولاً این سرویس‌دهی در نزدیک ترین تسهیل انجام می‌شود. چنین سیستم‌های خدمت‌رسانی، سیستم‌های صف را تشکیل می‌دهند. مدل‌های مختلفی برای حل این مسائل مکان‌یابی سیستم صف ارائه شده‌است.
دو ناحیه کاربردی وجود دارد که ما با این مدل‌ها روبه رو می‌شویم [4]: اولی در طراحی سیستم ارتباط کامپیوتری مانند اینترنت می‌باشد. در یک سیستم ارتباط کامپیوتری، ترمینال‌های مشتری (کاربران اینترنت) به کامپیوترهای میزبان (سرورهای پروکسی، سرورهای آینه) وصل می‌شوند که قابلیت پردازش بالا و/یا پایگاه داده‌های بزرگ میزبان دارند. زمانی که طول می‌کشد تا سرور درخواست را پردازش کند بستگی به سرعت پردازش سرور و و نوع درخواست دارد که آن هم تصادفی است. زمانی که مشتری برای پاسخ سرور منتظر می‌ماند نیز بستگی به تعداد و اندازه درخواست‌های داده‌ای است که در حال حاضر در صف هستند. به طور کلی، درخواست‌های مشتری‌ها به نزدیکترین سرور وصل می‌شود. این مکان و ظرفیت سرورها، پارامترهای طراحی بحرانی هستند. این انتخاب پارامترها تأثیری قابل توجه روی کیفیت خدمات دارد، به طوری که بوسیله یک مشتری درک می‌شود.
کاربرد دوم شامل طراحی یک سیستم دستگاه خودپرداز برای بانک است. مشتری‌ها به صورت تصادفی به یک دستگاه خودپرداز می‌رسند. اگر هنگامی‌که آن‌ها می‌رسند، دستگاه آزاد باشد، آن‌ها بلافاصله سرویس دهی می‌شوند. در غیر این صورت ، آن‌ها به صف می‌پیوندند یا آن جا را ترک می‌کنند. زمان تصادفی که یک مشتری در یک دستگاه سپری می‌کند بستگی به تعداد و نوع تراکنشی (مثلاً مانده حساب، دریافت وجه، انتقال وجه و غیره) دارد که او انجام می‌دهد. منبع قابل توجه دیگر زمان مشتری در یک دستگاه، شامل تأخیر ارسال در مدت شبکه ارتباط بانک است. از آن جا که دستگاه‌ها ثابت هستند، مشتری‌ها باید به یک مکان خودپرداز مراجعه کنند تا یک تراکنش را انجام دهند. گاهی اوقات، مردم در طول مسیر خود (مثلاً از خانه به محل کار) برای استفاده از یک دستگاه خودپرداز به آن مراجعه می‌کنند؛ گاهی اوقات هم، آن‌ها آن را طبق یک مسیر از پیش برنامه‌ریزی‌شده (مثلاً مسیر روزانه بین خانه و کار) استفاده می‌کنند. به طور کلی، آن‌ها از تسهیل با کمترین هزینه قابل‌دسترس استفاده می‌کنند. برای مثال، هنگامی‌که هزینه‌ها بوسیله مسافت سفر تعیین می‌شود، مشتری‌ها نزدیکترین تسهیل به محل کار/خانه یا نزدیکترین مسیر روزانه شان را انتخاب می‌کنند. ما فرض می‌کنیم که مشتری‌ها هیچ اطلاعی از تأخیرات دستگاه‌های خودپرداز ندارند و از این رو نزدیکترین تسهیل را برای درخواست سرویسشان انتخاب می‌کنند.
فرضیاتی که برای این مسأله درنظر گرفته می‌شود به شرح زیر می‌باشد:
گره مشتری وجود دارد که هر یک درخواستی را برای سرویس ایجادمی‌کند؛
تعداد درخواست‌ها در واحد زمان، یک جریان پوآسن مستقل را تشکیل می‌دهند؛
گره خدمت‌رسان بالقوه وجود دارد؛
مشتریان از مراکز تقاضا به سمت مکان این دستگاه‌ها حرکت می‌کنند؛
هر جایگاه خدمت فقط یک خدمت دهنده دارد؛
زمان سرویس یک دستگاه به صورت تصادفی و توزیع نمایی دارد؛
مکان دستگاه‌ها ثابت هستند؛
مشتری‌ها بوسیله نزدیکترین دستگاه خودپرداز خدمت‌رسانی می‌شوند؛
میزان زمان انتظار مشتریان در صف نباید از یک حد ازپیش تعیین شده، فراتر رود؛
ماکزیمم تعداد دستگاه‌های خدمت‌رسان از قبل تعریف شده‌است.
در مسائل مکان‌یابی تک هدفه، هدف مسأله معمولاً هزینه یا پوشش بوده‌است، امّا در مسائل چندهدفه، حداقل یک هدف دیگر وجود دارد که باتوجه به طبیعت این گونه مسائل، با هدف اوّلی درتضاد است.
براین اساس، ما مروری بر روی اهدافی که در مسائل مکان‌یابی چندهدفه توسعه یافته می‌کنیم. این اهداف می‌توانند به صورت زیر توصیف شوند:
هزینه: انواع مختلفی از هزینه وجود دارد. این انواع می‌توانند به دو قسمت ثابت و متغیر تقسیم شوند. هزینه‌های ثابت شامل هزینه شروع و نصب به همراه سرمایه گذاری می‌باشد. هزینه‌های متغیر می‌تواند هزینه حمل و نقل، عملیات، تولید، خدمات، توزیع، تدارکات، دفع پسماند، نگهداری و محیطی باشد. هزینه حمل و نقل بیشترین و هزینه نصب بعد از آن قرار دارد. مسائل مختلفی از یک معیار «هزینه کل» استفاده کرده‌اند که شامل همه هزینه‌ها تحت یک هدف می‌شود.
ریسک‌های محیطی: این هدف شامل ریسک حمل و نقل، ریسک طبیعی، دفع پسماند یا ریسک رفتاری، یا «اثرات نامطلوب» عمومی است که جایگاه بزرگی دارد. به هر حال نسبت ریسک محیطی در مسائل مکان‌یابی کمتر از دیگر هزینه‌هاست.
پوشش: تقریبا مجموعه کامل مسائل مکان‌یابی درباره پوشش مسافت، زمان، مبلغ و یا حتی انحراف پوشش است. اگرچه بسیاری از مسائل از مسافت و پوشش جمعیّت به عنوان هدفشان استفاده می‌کنند، اما در بعضی مسائل نیز زمان مهّم است.
مفهوم تساوی نیز در این طبقه قرار می‌گیرد، زیرا این نوع مسائل، روشی منصفانه در برخورد با مسأله پوشش دارند.
سطح و کارائی خدمت: در این طبقه، هدف سطح سرویس به همراه کارائی قرارمی‌گیرد.
سود: بعضی مسائل به سود خالص (تفاوت بین سودها و هزینه‌ها) علاقمندند.
اهداف دیگر: بعضی اهداف دیگر که در مسائل مکان‌یابی استفاده می‌شوند، مانند دستیابی به منابع به همراه ریسک‌های سیاسی و اجتماعی که نمی‌توانند در دیگر دسته‌ها قرار بگیرند.
سه هدف برای مسأله موردنظر ما درنظر گرفته شده‌است که هدف اول، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان درحال سفر؛ هدف دوم، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان در حال انتظار و هدف سوم، ماکزیمم کردن مجموع کارکرد دستگاه‌ها در واحد زمان می‌باشد.
1-4- روش حل
به طور کلی مسائل مکانیابی تسهیلات اصولاً NP-Hardهستند و بعید است بدون کاربرد الگوریتم‌های فراابتکاری بتوان حلّی بهینه را در زمان معقول پیدا کرد و زمان محاسباتی نیز با توجه به اندازه مسأله به صورت نمایی افزایش می یابد.
مسائل بهینه یابی چندهدفه، به طور کلی با یافتن حل‌های بهینه پارتو یا حل‌های مؤثّر کارمی‌کنند. چنین حل‌هایی غیرمغلوب هستند، یعنی هنگامی‌که همه اهداف درنظر گرفته شوند، هیچ حل دیگری برتر از آن‌ها نیست. بیشترین روش‌هایی که برای حل مسائل بهینه سازی چندهدفه به کار می‌روند، روشهای ابتکاری و فراابتکاری هستند.
برای مسائلی که در کلاس NP-Hard قرار می گیرند، تاکنون روش‌های دقیقی که بتواند در حالت کلی و در زمانی معقول به جواب دست یابد توسعه داده نشده‌است. از این رو روش‌های ابتکاری و فراابتکاری مختلفی را برای حل این دسته از مسائل به کار می برند تا به جواب‌های بهینه یا نزدیک به بهینه دست یابند.
در این تحقیق سعی شده‌است که از چندین الگوریتم بهینه سازی چندهدفه استفاده شود. الگوریتم NSGA-II به این خاطر انتخاب شده‌است که این الگوریتم در بسیاری از مقالات به عنوان الگوریتم مرجع مقایسه گردیده‌است. الگوریتم CNSGA-II نیز به این علت انتخاب شده‌است که روشی مناسب برای برخورد با محدودیت‌های حل مسأله ارائه می‌کند. چون باتوجه به ماهیت مسأله، چندین محدودیت سر راه حل مسأله ایجاد شده‌است که راهکار مناسبی برای رسیدگی به این محدودیت‌ها ایجاب می‌کند. الگوریتم NRGA نیز چون جزء جدیدترین الگوریتم‌های ارائه شده در زمینه بهینه سازی چندهدفه می‌باشد مورداستفاده قرار گرفته‌است. در سال‌های اخیر، الگوریتم‌های بهینه سازی مبتنی بر ایمنی مصنوعی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌است که به همین علت، ما در این تحقیق سعی بر آن داریم که از کارآمدترین این الگوریتم‌ها استفاده کنیم. از میان الگوریتم‌های چندهدفه ایمنی، ما از MISA، VIS و NNIA استفاده کرده ایم که در ادامه و در بخش‌های بعدی به نتایج خوبی که دراثر استفاده از این الگوریتم‌ها بدست می‌آید، اشاره می‌کنیم.
1-5- اهمیت و ضرورت تحقیق
امروزه پایانه فروش، پایانه شعب، دستگاه‌های خودپرداز و ... نماد بانکداری الکترونیک است و یافتن مکان بهینه برای این پایانه‌ها و دستگاه‌ها می‌تواند نقش مهمی در حضور یک بانک یا مؤسسه در بازارهای داخلی و خارجی داشته باشد.
در این تحقیق سعی شده‌است که محدودیت‌ها و چالش‌های فراروی این مسأله در دنیای واقعی تا حد ممکن درنظر گرفته شود. به همین منظور محدودیت‌هایی ازقبیل ماکزیمم دستگاه خدمت‌رسانی که می‌تواند به کار گرفته شود و حدّ بالای زمان انتظار برای مشتریان منظور شده‌است. همچنین به‌دلیل اینکه یک هدف، پاسخگوی انگیزه ایجاد شده برای انجام این طرح نمی‌باشد، این مسأله به صورت یک مسأله چند هدفه درنظر گرفته شده‌است تا به دنیای واقعی هر چه نزدیکتر گردد تا در درجه اول سود بانک یا مؤسسه ازطریق انتخاب بهینه دستگاه‌های خودپرداز افزایش یابد و در درجه دوم رضایت مشتریان جلب گردد، به صورتی که هم پوشش مناسب برای خدمت‌رسانی داده شود و هم مدت زمان خدمت‌رسانی به مشتریان حداقل گردد.
1-6- اهداف تحقیق
اهدافی که برای اجرای این تحقیق درنظر گرفته شده‌است عبارتند از:
مروری بر مدل‌های مکانیابی تسهیلات به صورت کلّی
مروری بر مدل‌های مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم
بهینه نمودن استفاده از دستگاه‌های‌های خدمت‌رسان؛ یعنی دستگاه‌های خدمت‌رسان به چه تعداد و در چه محل‌هایی استقرار یابند و چه مراکز تقاضایی به این دستگاههای خدمت‌رسان تخصیص یابند، به‌صورتی که هم رضایت مشتریان جلب شود (این هدف را به صورت کمینه کردن مجموع زمان خدمت‌رسانی به مشتریان که شامل زمان سفر مشتریان از مراکز تقاضا به مراکز خدمت‌رسانی و زمان انتظار آنها برای خدمت‌رسانی درنظر گرفته ایم) و هم مجموع کارکرد دستگاه‌ها بیشینه گردد.
تطبیق الگوریتم‌های مختلف با مسئله مورد بررسی
تجزیه و تحلیل الگوریتم‌های مختلف با استفاده از روشهای مقایسه الگوریتم‌ها
1-7- جمع بندی
مسأله مکانیابی تسهیلات در حالت کلی به عنوان یک مسأله NP-Hard شناخته می‌شود. به‌خصوص در حالتی که محدودیت‌های دیگری نظیر محدودیت انتظار مشتریان در صف و محدودیت در تعداد تسهیلات باز شده نیز مطرح باشد، پیچیدگی این مسأله چندین برابر می‌شود.
هدف اول، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان درحال سفر؛ هدف دوم، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان در حال انتظار و هدف سوم، ماکزیمم کردن مجموع کارکرد دستگاه‌ها در واحد زمان می‌باشد.
پایان نامه دارای ساختار زیر است: در فصل دوم برای آنکه خواننده با مفاهیمی که در این پایان‌نامه به کار گرفته شده‌است و همچنین موضوعاتی که در این تحقیق مطرح می‌شود، مروری جامع بر ادبیات موضوعات در بخش‌های مختلف اعم از مکانیابی تسهیلات به صورت کلی، مکانیابی تسهیلات باتوجه به مسأله مطرح شده و محدودیت‌های ایجاد شده به عمل آمده‌است. همچنین الگوریتم‌های چندهدفه‌ای که در این پروژه - ریسرچبه کار گرفته شده‌است به طور عمومی معرفی و تشریح می‌شوند. باتوجه به اینکه سه الگوریتم از این الگوریتم‌ها از مبحث ایمنی مصنوعی است، سعی شده‌است تا مروری مختصر بر این موضوع نیز انجام شود. در آخر نیز روش‌های اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌های چندهدفه معرفی شده‌اند.
در فصل سوم ابتدا درمورد مسئله مورد بررسی این تحقیق توضیحات کافی داده می شود و اهداف و محدودیت های فراروی آن شرح داده می شود. سپس، در قسمت طراحی الگوریتم‌ها، الگوریتم‌های درنظر گرفته شده را با مسئله مورد بررسی تطبیق می دهیم.
در فصل چهارم پس از اینکه درمورد تولید مسائل نمونه صحبت کردیم، به تجزیه و تحلیل و مقایسه الگوریتم‌ها خواهیم پرداخت که این کار را به این صورت انجام می‌دهیم که ابتدا معیارهای مختلف را برای تمامی الگوریتم‌ها اندازه گیری کرده و سپس این نتایج را باتوجه به روش‌های موجود درزمینه تحلیل واریانس، مورد تجزیه و تحلیل قرارمی‌دهیم.
در فصل پنجم نیز پس از مروری کلّی بر تحقیقی که انجام شده، چند زمینه تحقیق برای مطالعات آتی به خوانندگان پیشنهاد می‌شود.
4221207272
82867519050 2
00 2

مرور ادبیات

2-1- مقدمه
در این فصل، ابتدا به بحث درباره موضوع مکانیابی تسهیلات می پردازیم. در ابتدا، به مروری بر ادبیات این موضوع می پردازیم. در ادامه، مسائل پوشش که مهمترین و پرکاربردترین مباحث در این حوزه است را توضیح داده و مدل های دیگر مکانیابی تسهیلات را معرفی می نمائیم. سپس باتوجه به اینکه مسئله ما در حیطه مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم می باشد، به مرور ادبیات این حیطه و خصوصیات این نوع مدل ها می پردازیم. سپس سیستم صف و مسائلی که در این حوزه و ادامه تحقیق، موردنیاز است، شرح داده می شود. همچنین الگوریتم‌های چندهدفه‌ای که در این پروژه - ریسرچبه کار گرفته شده‌است به طور عمومی معرفی و تشریح می‌شوند. باتوجه به اینکه سه الگوریتم از این الگوریتم‌ها از مبحث ایمنی مصنوعی است، سعی شده‌است تا مروری مختصر بر این موضوع نیز انجام شود. در آخر نیز روش‌های اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌های چندهدفه معرفی شده‌اند.
2-2- مکانیابی تسهیلات
2-2-1- مرور ادبیات در موضوع مکانیابی تسهیلات [5]
می‌توان استدلال نمود که تحلیل‌های مکانیابی در قرن هفدهم و با مسأله پیِر دِ فِرمَت شروع شد: فرض کنید که سه نقطه در یک صفحه وجود دارد، نقطه چهارمی را پیداکنید به صورتی که مجموع فواصلش تا سه نقطه فرض شده مینیمم گردد. اِوانجلیستا توریچلی نیز یکی از کسانی است که ساختارهای فضایی که نیاز به یافتن یک چنین میانه‌های فاصله‌ای یا «نقاط توریچلی» دارند، به آن نسبت داده شده‌است. به هر حال در قرن اخیر، با «مسأله وِبِر» از آلفرد وِبِر و بعضی از گسترش‌های بعدی اش در مسئله درِزنر و همکارانش دوران جدید تحلیلهای مکانیابی با کاربردش در مکانیابی صنعتی شروع می‌شود. مسأله وِبِر نقاطی را در یک سطح پیدا می‌کند که مجموع فواصل اقلیدسی وزن‌دهی شده آن تا یک مجموعه نقاط ثابت مینیمم گردد. این مسأله به این صورت تفسیر می‌شود که مکان یک کارخانه را به گونه‌ای پیداکنیم که کل مسافت وزن دهی شده آن از تأمین کنندگان و مشتریان مینیمم گردد، که وزن‌ها بیانگر حجم مبادلات می‌باشد، مثل وزن موادی که باید از یک تأمین‌کننده منتقل شود یا حجم محصولات نهایی که برای یک مشتری ارسال می‌شود.
تنها در دهه 60 و 70، با فراهم بودن گسترده قدرت محاسبات برای پردازش و تحلیل مقادیر بزرگی از داده‌ها بود که ما شروع واقعی بهینه سازی جدید و به همراه آن، تحقیق در مسائل مکانیابی را مشاهده می‌کنیم. این دوره را به این دلیل دوره بلوغ تحلیلهای مکانیابی می‌نامند که گرایش زیادی به مطالعه p-median کلاسیک، p-center، پوشش مجموعه، مکانیابی تأسیسات ساده و مسائل تخصیص درجه دوم و گسترش آنها پیدا شد.
در این دوره، کوپر مسأله تک تسهیلی وِبِر را گسترش داد تا مسأله تخصیص-مکانیابی چندتسهیلی را ایجاد کند. سپس مارانزانا این مسأله را از فضای پیوسته به شبکه گسترش داد. به هر حال حکیمی است که شالوده تحقیق در p-median و مسائل دیگر در یک شبکه را کامل می‌کند. مسأله p-median شبیه مسأله وِبِر در یک سطح، مکان p نقطه را در یک شبکه به گونه‌ای پیدا می‌کند که کل مسافت وزن دهی شده با تقاضا را تا نزدیکترین تسهیل مینیمم می‌کند. به علاوه حکیمی مسأله p-center اصلی را ارائه می‌کند که مکان p نقطه را در یک شبکه به گونه‌ای پیدا می‌کند که ماکزیمم مسافت تقاضا تا نزدیکترین تسهیل مینیمم گردد. نتیجه مهم قضیه حکیمی نیز مشخص است، یعنی اینکه یک حل در مسأله p-median، همیشه در گره‌های یک شبکه در مسأله واقع می‌شود، درحالیکه یک حل در مسأله p-center لزومی ندارد که در گره‌ها واقع شود. کاریف و حکیمی اثبات می‌کنند که مسائل p-center و p-median، NP-Hard هستند.
مدلهای پوشش، مسائلی را درنظر می‌گیرند که تقاضاها باید در یک مسافت مطمئنی از زمان سفر پوشش داده شوند. تورِگاس و همکارانش روش حلی را برای اینگونه مسائل که در کاربرد با نام مسأله پوشش مجموعه (LSCP) شناخته می‌شود را فرمول بندی و ارائه کردند. مکان تسهیلات برای خدمات اورژانسی از این مسأله الهام می‌شوند. چِرچ و رِوِله، مسأله مکانیابی حداکثر پوشش (MCLP) را ارائه کردند. این مسأله، مکانهای بهینه‌ای را برای تعداد معیّنی از تسهیلات پیدا می‌کند که جمعیّتی که درون یک فاصله خدمت‌رسانی مشخص، پوشش داده می‌شوند، حداکثر گردد.
دیگر مسأله بنیادی با مفهوم پوشش، مسأله تخصیص درجه دوم (QAP) می‌باشد که به دلیل طبیعت درجه دوّم فرموله کردن تابع هدفش به این نام خوانده می‌شود. تعدادی (N) تسهیل که در همان تعداد جایگاه (N) به گونه‌ای واقع می‌شوند که کل هزینه انتقال مواد درمیان آنها مینیمم گردد. هزینه حرکت مواد بین هر دو مکان بوسیله ضرب یک وزن یا جریان در فاصله بین مکان‌ها بدست می‌آید. مدل خطی آن بوسیله کوپمنس و بِکمن ارائه شد که مورد خاصی از مسأله حمل و نقل شناخته شده‌است. این مسأله NP-Hard علائق بسیاری را برای تحقیق ایجاد کرد و هنوز هم حل آن در هر اندازه ای، بسیار سخت به نظر می‌رسد.
دهه 80 و 90 تحقیقاتی را در تحلیل مکانیابی دید که به رشته‌های دیگر نیز گسترش پیدا کرد و نتایج سودمندی را از دیدگاه مدل سازی و کاربرد بدست آورد. این نوآوری‌ها تا به امروز نیز ادامه دارد.
از جمله این مدل‌ها می‌توان به مکان‌یابی رقابتی، مکان تسهیلات گسترده، مکانیابی تصادفی، مسیریابی، مکان‌یابی هاب و جلوگیری از جریان اشاره کرد. به عنوان کاربردهای جدید در این دوران می‌توان به ناحیه‌هایی ازجمله برنامه ریزی خدمات اورژانسی، کاربردهای محیط زیستی همچون تسهیلات زیان آور و ترکیب مکانیابی با مدیریت زنجیره تأمین اشاره کرد.
مدلهای مکانیابی رقابتی: حکیمی مدلهای رقابتی را درون تئوری مکانیابی وارد کرد. بیشتر نتایج در این زمینه یک فضای گسسته یا یک شبکه را درنظر می‌گیرند. اخیراً مدل‌های مکانیابی رقابتی پیوسته توسط داسکی و لاپورته ارائه شده‌است.
مدلهای مکانیابی تسهیلات گسترده: یک تسهیل اگر در مقایسه با محیطش، خیلی کوچکتر از یک نقطه به نظر برسد، گسترده نامیده می‌شود. چنین مدل‌هایی بارها در وضعیت‌های طراحی شبکه به کار گرفته شده‌است. مِسا و بوفی یک سیستم دسته بندی شامل مسائلی برای تعیین خط مسیر حمل و نقل مواد خطرناک ارائه کردند. اخیراً یک مثال بوسیله بریمبرگ و همکارانش آورده شده‌است که مسأله مکانیابی یک دایره درون یک کره را درنظر می‌گیرد، به صورتی که فاصله از تسهیلات موجود باید مینیمم گردد.
مکانیابی تصادفی: مدلهای مکانیابی تصادفی هنگامی رخ می‌دهند که داده‌های مسأله فقط به روشی احتمالی شناخته شوند. بِرمن و همکارانش مسائلی را درنظر گرفتند که ورود به تسهیلات به صورت تصادفی است و اثر تراکم نیز باید درنظر گرفته می‌شد. لوگندران و تِرِل یک مسأله LA با ظرفیت نامحدود را با تقاضاهای تصادفی حسّاس به قیمت درنظر گرفتند. بِرمن و کراس یک کلاس کلی از «مسائل مکانیابی با تقاضای تصادفی و تراکم» را ارائه کردند.
مسیریابی مکان: ترکیب تحلیلهای مکانیابی با زمینه‌های شناخته شده مسائل مسیریابی وسایل نقلیه، ناحیه جدید دیگری از مدل سازی، یعنی مسیریابی مکان را ایجاد می‌کند.
مکانیابی هاب: در چنین مسائل مکانیابی، هاب‌ها به عنوان متمرکزکننده‌ها یا نقاط سوئیچینگ ترافیک عمل می‌کنند، خواه برای مسافران خطوط هوایی باشد، خواه بسته‌های کوچک در سیستمهای سوئیچینگ. جریان بین منابع و مقاصد اساس مدل سازی این دسته از مسائل را تشکیل می‌دهد. اُکِلی اساس تحلیلهای مکانیابی هاب را بنانهاد. آن مدل‌ها به صورتی مدل سازی شد تا بهترین مکان‌ها برای متصل کردن ترمینال‌ها را باتوجه به مینیمم کردن هزینه‌های کل تراکنش‌ها، پیدا کند.
جلوگیری از جریان: در بسیاری از مسائل مکانیابی، تقاضاها فرض می‌شوند که در گره‌های یک شبکه رخ می‌دهند. یک تغییر جالب که بوسیله مسائل فرض می‌شود این است که تقاضا بوسیله جریانی از وسایل نقلیه یا پیاده‌هایی که از میان اتصالات شبکه عبور می‌کنند، ارائه می‌شوند. ازجمله کاربردهای این حیطه می‌توان به دستگاه‌های خودپرداز و ایستگاه‌های نفتی اشاره کرد. چنین مسائلی اولین بار توسط هاچسون و بِرمن و همکارانش ارائه شد.
مکانیابی یا جابجایی وسایل خدمات اورژانسی: مقدار شگرفی از تحقیقات در مطالعه مکانیابی وسایل خدمات اورژانسی ایجاد شده‌است. چَپمن و وایت اولین کار را برحسب محدودیت‌های کاربردی که در LSCP کاربرد دارد، ارائه کردند. مطالعه میرچندانی و اُدُنی زمان‌های سفر تصادفی را در مکانیابی تسهیلات اورژانس درنظر می‌گیرد. همچنین باتوجه به کاربردهای وسایل اورژانسی، مدل MEXCLP که توسط داسکین ارائه شده‌است، مدل MCLP را با محدودیت‌های احتمالی گسترش می‌دهد. رِپِده و برناردو، مدل TIMEXCLP را ارائه کردند که MEXCLP را با تغییر تصادفی در تقاضا گسترش می‌دهد.
کاربردهای مرتبط با محیط زیست: تسهیلات زیان آور و مفاهیم دیگر: بعضی از تحلیلهای مکانیابی در موضوع محیط زیست، مربوط به مکان تسهیلاتی می‌شود که برای جمعیت مجاورشان مضر یا نامطبوع هستند. گُلدمن و دیِرینگ و همچنین چِرچ و گارفینکل جزء اولین افرادی بودند که مکانیابی برای تسهیلات زیان آور یا تسهیلاتی که ترجیح می‌دهیم دور از دسترس باشند را درنظر گرفتند.
تحلیلهای مکانیابی با مدیریت زنجیره تأمین: مدیریت زنجیره تأمین (SCM) شامل تصمیمات درمورد تعداد و مکان تسهیلات و جریان شبکه در حیطه تأمین، تولید و توزیع می‌شود. در اولین کارها در برنامه ریزی پویا، بالُو از برنامه نویسی پویا برای جابجایی انبارها در طول دوره برنامه‌ریزی استفاده می‌کند. جئوفریون و پاورز محیطی یکپارچه را بین مکان و SCM درنظر می‌گیرد.
2-2-2- معیارهای دسته بندی مدلهای مکانیابی
مدلهای مکانیابی تسهیلات می‌توانند باتوجه به اهداف، محدودیتها، حل‌ها و دیگر خصوصیات دسته بندی شوند. در زیر، هشت معیار رایجی که برای دسته بندی مدل‌های مکانیابی تسهیلات سنتی استفاده می شود، آورده شده‌است ‍‍[6]:
مشخصات مکان: مشخصات مکان تسهیلات و جایگاه‌های تقاضا شامل مدل‌های مکانیابی پیوسته، مدل‌های شبکه گسسته، مدل‌های اتصال هاب و غیره می‌شود. در هر یک از این مدل‌ها، تسهیلات می‌توانند فقط در جایگاه‌هایی واقع شوند که توسط شرایط مکانی مجاز هستند.
اهداف: هدف یکی از معیارهای مهم برای دسته بندی مدل‌های مکانیابی است. هدف مدل‌های پوشش، مینیمم کردن تعداد تسهیلات برای پوشش همه نقاط تقاضا یا ماکزیمم کردن تعداد تسهیلاتی است که باید پوشش داده شوند. هدف مدل‌های p-center مینیمم کردن ماکزیمم فاصله (یا زمان سفر) بین نقاط تقاضا و تسهیلات است. آن‌ها اغلب برای بهینه کردن تسهیلات در بخش‌های عمومی همچون بیمارستان‌ها، اداره‌های پست و آتش‌نشانی‌ها استفاده می‌شوند. مدل‌های p-median سعی می‌کنند که جمع فاصله (یا متوسط فاصله) بین نقاط تقاضا و نزدیکترین تسهیلشان مینیمم گردد. شرکت‌هادر بخش‌های عمومی اغلب از مدل‌های p-median استفاده می‌کنند تا برنامه توزیع تسهیل را به گونه‌ای بریزند که مزایای رقابتشان را بهبود دهند.
روش‌های حل: روش‌های حل مختلف در مدل‌های مکانیابی مختلف همچون مدل‌های بهینه‌سازی و مدل‌های توصیفی بدست می‌آیند. مدل‌های توصیفی از رویکردهای ریاضی همچون برنامه نویسی ریاضی یا برنامه نویسی عددی استفاده می‌کنند تا حل‌های مختلف را برای سبک و سنگین کردن اکثر اهداف مهم در مقابل یکدیگر جستجو کنند. در مقابل، مدل‌های توصیفی، از شبیه سازی یا رویکردهای دیگری استفاده می‌کنند تا موفقیت دستیابی به الگوی مکانیابی را افزایش دهند تا حلی با درجه مطلوب بدست آید. روش‌های حل ترکیبی نیز بوسیله گسترش مدلهای توصیفی با تکنیک‌های بهینه سازی توسعه داده شده‌است تا مسائل مکانیابی تعاملی یا پویا (مثل سرورهای متحرک) را بسازند.
مشخصات تسهیلات: مشخصات تسهیلات نیز مدل‌های مکانیابی را به انواع مختلف تقسیم می‌کند. مثلاً، محدودیت تسهیل می‌تواند منجر به مدلی با یا بدون ظرفیت خدمت‌رسانی شود، و تکیه تسهیلات به یکدیگر می‌تواند به مدل‌هایی منجر شود که همکاری تسهیلات را به حساب آورند یا نیاورند.
الگوی تقاضا: همچنین مدل‌های مکانیابی می‌توانند براساس الگوهای تقاضا دسته بندی شوند. اگر یک مدل تقاضای انعطاف پذیر داشته باشد، پس آن تقاضا محیطی متفاوت با تصمیمات مکانیابی تسهیلات مختلف خواهد داشت؛ درحالیکه یک مدل با تقاضای غیرانعطاف پذیر، به علت تصمیمات مکانیابی تسهیلات، با آن الگوی تقاضا متفاوت نخواهد بود.
نوع زنجیره تأمین: مدل‌های مکانیابی می‌تواند بوسیله نوع زنجیره تأمینی که درنظر می‌گیرند تقسیم شوند (یعنی مدلهای تک مرحله‌ای درمقابل مدل‌های چند مرحله ای). مدل‌های تک‌مرحله‌ای بر روی سیستمهای توزیع خدمت تنها با یک مرحله تمرکز می‌کنند، درحالیکه مدل‌های چندمرحله ای، جریان خدمات را در طول چند سطح سلسله مراتبی درنظر می‌گیرند.
افق زمانی: افق زمانی، مدل‌های مکانیابی را به مدل‌های استاتیک و پویا دسته بندی می‌کند. مدل‌های استاتیک، کارایی سیستم را با درنظر گرفتن همزمان همه متغیرها بهینه می‌کند. درمقابل، مدل‌های پویا، دوره‌های زمانی مختلف را با تغییر داده‌ها درطول این دوره‌ها درنظر می‌گیرند و حل‌هایی را برای هر دوره زمانی با وفق دادن با شرایط مختلف ارائه می‌کند.
پارامترهای ورودی: روش دیگری برای دسته بندی مدل‌های مکانیابی براساس خصوصیت پارامترهای ورودی به مسأله است. در مدلهای قطعی، پارامترها با مقادیر مشخص پیش بینی می‌شوند و بنابراین، این مسأله، برای حل‌های ساده و سریع، ساده سازی می‌شود. به هر حال، برای بیشتر مسائل جهان واقعی، پارامترهای ورودی ناشناخته هستند و طبیعتاً ماهیت احتمالی/تصادفی دارند. مدل‌های مکانیابی احتمالی/تصادفی برای رسیدگی به ماهیت پیچیده مسائل جهان واقعی از توزیع احتمالی متغیرهای تصادقی استفاده می‌کنند یا مجموعه‌ای از طرحهای ممکن را برای پارامترهای نامعیّن درنظر می‌گیرند.
همچنین مدل‌های مکانیابی می‌توانند براساس مشخصات دیگری همچون مدل‌های تک محصولی درمقابل مدلهای چندمحصولی و یا مدلهای کششی درمقابل مدلهای فشاری متمایز شوند.
2-2-3- مسائل پوشش
ایده اصلی پشت مدلهای پوشش مکانیابی تسهیلات به گونه‌ای است که بعضی خدمات موردنیاز مشتریان فراهم شود. دو هدف برای مکانیابی تسهیلات وجود دارد که آیا همه مشتریان در شبکه با حداقل تسهیلات پوشش داده می‌شوند یا هر تعدادی از مشتریان که ممکن است با تعداد مشخصی از تسهیلات پوشش داده شوند. در اینجا به مسائل پوشش در شبکه می‌پردازیم [7]،[8].
2-2-3-1-مسأله پوشش مجموعه


برای ساده سازی، فرض می‌کنیم که همه مشتریان و تسهیلات در گره‌های شبکه واقع می‌شوند. در ادامه، ما از اندیس i برای اشاره به مشتریان و از اندیس j برای اشاره به تسهیلات استفاده می‌کنیم. همچنین تقاضاها (یا وزن‌ها) در گره i را با و تعداد تسهیلاتی است که باید مکانیابی شوند را با p نمایش می‌دهیم. همچنین ما را به عنوان کوتاهترین مسیر (یا زمان، هزینه یا هر عدم مطلوبیت دیگری) بین گره تقاضای و جایگاه تسهیل در گره تعیین می‌کنیم. اگر گره i بتواند بوسیله تسهیل در مکان j پوشش داده شود، قرارمی‌دهیم، درغیر اینصورت . همچنین را مجموعه همه جایگاه‌های کاندیدشده‌ای قرار می‌دهیم که می‌توانند گره تقاضای i را پوشش دهند. اینکه p تسهیل در کجا واقع شوند و کدام تسهیل باید کدام گره تقاضا را سرویس دهد، تصمیمات کلیدی در اینگونه مسائل هستند.
مسائل پوشش مجموعه در ابتدای دهه 70 ایجاد شد. هدف LSCP مکانیابی حداقل تعداد تسهیلات به گونه‌ای است که هر گره تقاضا بوسیله یک یا چند تسهیل «پوشش» داده شود. به طور کلی، تقاضا در یک گره i توسط تسهیل j پوشش داده شده نامیده می‌شود اگر فاصله (یا زمان سفر) بین گره‌ها کمتر از فاصله بحرانی D باشد. به علاوه، D به ماکزیمم فاصله یا زمان خدمتی که تصمیم‌گیرنده مشخص می‌کند اشاره می‌کند.
با این توضیحات، می‌توان مدل مکان پوشش مجموعه را که اولین بار توسط تورِگاس و همکارانش ارائه شد، به صورت زیر فرموله کرد:
(1.2)
(2.2)
(3.2)
تابع هدف (1.2) تعداد تسهیلاتی که استفاده می‌شوند را مینیمم می‌کند. محدودیت (2.2) تعیین می‌کند که برای هر نقطه تقاضای i، حداقل یک تسهیل باید در مجموعه ایجاد گردد که بتواند این گره را پوشش دهد. محدودیت‌های (3.2) محدودیت‌های تکمیلی هستند.

2-2-3-2- مسأله مکانیابی حداکثر پوشش
درمقابل مسأله پوشش مجموعه که در بالا آورده شد، مسأله مکانیابی حداکثر پوشش (MCLP) سعی نمی‌کند که همه مشتریان را پوشش دهد. تعداد p تسهیل را فرض کنید که هدف ما مکانیابی این تسهیلات به گونه‌ای است که بیشترین تعداد ممکن از مشتریان را پوشش دهیم. منظور از پوشش را نیز در بالا آوردیم.
با تعیین این محدودیت‌های مدل پوشش مجموعه، چِرچ و رِوِله مسأله مکانیابی حداکثر پوشش را به صورت زیر فرمول بندی کردند:
(4.2)
(5.2)
(6.2)(3.2)
(7.2)
که اگر گره تقاضای i پوشش داده شود، برابر یک خواهد بود، درغیر اینصورت صفر می‌شود. تابع هدف (4.2) تعداد تقاضاهایی که پوشش داده می‌شوند را ماکزیمم می‌کند. محدودیت (5.2)، متغیرهای مکان و پوشش را به همدیگر مرتبط می‌کند و نشان می‌دهد که گره تقاضای i نمی‌تواند به عنوان پوشش داده شده تلقی گردد مگر اینکه ما حداقل یک تسهیل را در یکی از جایگاه‌های کاندید شده مستقر کنیم که بتواند آن گره را پوشش دهد. محدودیت (6.2) تعداد تسهیلات را به p محدود می‌کند و محدودیت‌های (3.2) و (7.2) محدودیت‌های تکمیلی هستند.
اگر تعداد تسهیلاتی که برای پوشش تمام تقاضاها نیاز است، از منابع دردسترس بیشتر شود، یک گزینه، راحت کردن الزامات برای پوشش کامل می‌باشد.
2-2-3-3- مسائل p-center
نوع دیگری از مسائل کلاسیک پوشش، اصطلاحاً مسائل p-center نامیده می‌شود. هدف مسائل p-center ، مکانیابی تعداد معین p تسهیل به گونه‌ای است که بزرگترین فاصله بین هر مشتری و نزدیکترین تسهیلش تا حد ممکن کوچک شود. اگرچه از دیدگاه نظری، مسائل p-center متفاوت هستند، اما یک روش دوبخشی ساده می‌تواند به کار گرفته شود تا مسائل p-center را به عنوان بخشی از مسائل پوشش حل نماید. این مسأله می‌تواند به صورت زیر فرمول بندی شود که Q ماکزیمم فاصله است که باید مینیمم گردد:
(8.2)
(9.2)
(10.2)
(6.2)
(11.2)
(3.2)
(12.2)محدودیت (9.2) ما را مطمئن می‌کند که هر گره تقاضا تخصیص داده شده‌است، درحالیکه محدودیت (10.2) تصریح می‌کند که این تخصیصها می‌توانند فقط در تسهیلاتی که بهره برداری شده‌اند ایجاد شود. محدودیت (6.2) بیان می‌کند که دقیقاً p تسهیل می‌تواند ایجاد شود. محدودیت (11.2) ماکزیمم فاصله را برحسب متغیرهای تصمیم تعیین می‌کند. این محدودیت‌ها تصریح می‌کنند که Q باید بزرگتر یا مساوی با فاصله‌ای باشد که برای هر گره تقاضا تخصیص داده می‌شود.
2-2-3-4- مسائل p-median
درمقابل مسائل p-center با اهداف مینیماکسش که در قسمت قبل توضیح داده شد، مسائل p-median اهداف مینیمم مجموع دارند. به عبارت دیگر مسائل p-median ، p تسهیل را به‌گونه‌ای مکان‌یابی می‌کنند که مجموع فواصل بین همه مشتریان و نزدیکترین تسهیل مرتبطشان مینیمم گردد. رِوِله و سواین مسأله p-median را به صورت زیر فرمول بندی کردند:
(13.2)
(9.2)
(10.2)
(6.2)
(3.2)
(12.2)
تابع هدف (13.2) کل فاصله‌ای که در تقاضا ضرب شده‌است را مینیمم می‌کند. از آنجائیکه تقاضاها مشخص هستند و کل تقاضا ثابت است، این هدف در حکم مینیمم کردن متوسط فاصله ضرب در تقاضا است. به خاطر داشته باشید که این فرمول بندی خیلی شبیه به فرمول بندی مسأله p-center است مگر در تابع هدف و محدودیت شماره (11.2).

2-2-4- مسائل دیگر مکانیابی [8]
در این بخش به اختصار به انواع دیگری از مدل‌های مکانیابی که در مقالات استفاده شده‌است اشاره می‌کنیم. اولین نوع، مدل‌هایی هستند که به تسهیلات نامطلوب اشاره می‌کنند. چنین مدل‌هایی به مکانیابی تسهیلاتی همچون تأسیسات تصفیه فاضلاب، محل‌های بازیافت زباله‌ها، نیروگاه‌ها یا زندان‌ها می‌پردازند که همسایگی آنها با نواحی مسکونی نامطلوب به نظر می‌رسد.
به عنوان سیستم‌هایی که معمولاً شامل دو یا چند سطح از تسهیلات می‌شوند، از سیستمهای سلسله مراتبی استفاده می‌کنیم. بسیاری از سیستمها در طبیعت سلسله مراتبی هستند. این تسهیلات معمولاً برحسب نوع خدماتی که ارائه می‌کنند سلسله مراتبی هستند. مثلاً مراکز مراقبت‌های پزشکی را درنظر بگیرید که شامل کلینیک‌های عمومی، بیمارستان‌ها و مراکز دارویی هستند.
نوع دیگری از مدل‌ها، به مدل‌های مکانیابی می‌پردازد که اهداف «یکسان» دارند. این مدل‌ها، تسهیلات را به گونه‌ای مکانیابی می‌کنند که برای همه مشتریان به طور مساوی دردسترس باشند.
ناحیه فعال دیگر در این زمینه، مکانیابی هاب‌هاست. هاب به عنوان توپ در مرکز یک چرخ است و منظور از آن، تسهیلاتی است که به بعضی جفت‌های منبأ-مقصد به عنوان گره‌های معاوضه و حمل و نقل سرویس دهی می‌کند و در سیستمهای ترافیک و ارتباطات استفاده می‌شود.
نوع دیگر از مدل‌های مکانیابی، مدل‌های مکانیابی رقابتی است. مثالی از این نمونه به این صورت است که دو فروشنده انحصاری یک محصول را درنظر بگیرید که تسهیلی را هر کدام در یک پاره خط ایجاد می‌کنند. آنها از ابزاری مشابه استفاده می‌کنند و در مکان و قیمت رقابت می‌کنند.
در پایان، تسهیلات گسترده و مسائل جانمایی تسهیلات را درنظر بگیرید. در هر دو زمینه، به خاطر اینکه اندازه تسهیلات در قیاس با فضایی که در آن واقع شده‌اند قابل چشم پوشی نیست، تسهیلات نمی‌توانند به صورت یک نقطه بر روی نقشه نشان داده شوند و خیلی بزرگتر از آن هستند که به صورت یک نقطه درنظر گرفته شوند. به عنوان نمونه‌هایی از مسائل جانمایی، آرایش ایستگاه‌های کاری در یک اداره و قراردادن اتاق‌ها در یک بیمارستان را می‌توان نام برد.
2-2-5- مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکمما در این بخش به مسائل پیدا کردن مکان‌های بهینه برای مجموعه‌ای از تسهیلات در حضور تقاضای مشتریان تصادفی و تراکم در آن تسهیلات می‌پردازیم. ما به این گونه مسائل به عنوان «مسائل مکانیابی با تقاضای تصادفی و تراکم» (LPSDC) نگاه می‌کنیم [9]. اکثراً ما بحث درباره مسائل را به شبکه محدود می‌کنیم، حتی اگر این مدل‌ها بتواند به مکان‌های گسسته گسترش یابند.
اهمیت مشهود پرداختن به مسائل مکانیابی تسهیلات در حضور عدم قطعیت‌های گوناگون، منجر به تعداد زیادی از مقالات در این موضوع می‌شود. اصولاً مدل‌های LPSDC بر روی دو منبع از عدم قطعیت متمرکز می‌شود: (1) مقدار واقعی و مقدار زمانی که تقاضا بوسیله هر مکان مشتری تولید می‌شود و (2) از دست دادن تقاضا (یا جریمه پولی) به علت ناتوانی تسهیل در فراهم کردن سرویس مناسب به (بعضی از) مشتریان به علت تراکم در آن تسهیل.
این گونه مسائل به پیدا کردن بهترین مکان‌ها برای مجموعه‌ای از تسهیلات می‌پردازند تا ظرفیت سرویس (تعداد خدمت دهندگان) را در تسهیل j مشخص کند. نتیجه چنین سیستمی می‌تواند به صورت یک سیستم صف با M صف و سرویس دهنده مشاهده شود. حتی تحلیل‌های توصیفی چنین سیستمهایی (یعنی با فرض اینکه تصمیمات مکانیابی در حال حاضر گرفته شده‌اند) می‌تواند توانایی حال حاضر سیستم صف را گسترش دهد. چنین مسائلی، قابلیت‌های مسائل مکان‌یابی «کلاسیک» (که بیشتر آن‌ها NP-complete شناخته می‌شوند) را با پویایی پیچیده سیستم‌های صف ترکیب می‌کند. بنابراین، در ساختن یک مدل LPSDC کاربردی، بعضی فرض‌ها و تخمین‌های ساده سازی باید انجام شود تا مدل را قابل حل کند.
یک ناحیه مهم کاربرد مدل‌های LPSDC، مکان‌یابی تسهیلات خدمات اورژانسی (مانند بیمارستان‌ها)، ایستگاه‌های پلیس، ایستگاه‌های آتش نشانی و آمبولانس‌ها هستند. توانایی پاسخگویی به یک درخواست برای خدمت‌رسانی در زمان مناسب، به چنین سیستم‌هایی اختصاص دارد (مثلاً استاندارد رایج برای آمبولانس‌ها در آمریکای شمالی برای پاسخگویی به تلفن‌های با ارجحیت بالا، 3 دقیقه می‌باشد). خصوصیت پایه چنین سیستم‌هایی غیرقابل پیش بینی بودن تعداد و زمان رسیدن تلفن‌ها برای درخواست و اثری که روی کارایی سیستم تراکمی می‌گذارد است و هنگامی‌که بعضی از این تسهیلات درخواست‌های بسیاری را برای خدمت در دوره زمانی مشخصی دریافت می‌کنند، نتیجه آن مشخص می‌شود. به راستی که از لحاظ تاریخی، مسأله مکان‌یابی تسهیلات خدمات اورژانسی، محرّک اصلی برای تحقیقات بیشتر در این زمینه را فراهم کرده‌است.
دیگر ناحیه مهم کاربرد این مسائل که کمتر مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته‌است، مکان‌یابی خرده فروشی‌ها یا تسهیلات خدمت‌رسانی دیگر است که مقدار کل تجارت (تقاضای مشتری) در یک تسهیل ممکن است هنگامی‌که نرخ خدمت‌رسانی به علت تراکم کاهش می‌یابد، به طور معکوس عمل کند. درحالی که بعضی از مدل‌هایی که برای مکان‌یابی تسهیلات اورژانسی توسعه پیدا کرده‌اند، می‌توانند به خوبی برای تسهیلات غیراورژانسی نیز به کار روند، این دو دسته از کاربردها، خصوصیات مختلف خودشان را نیز ایجاد می‌کنند.
2-2-5-1- مرور ادبیات مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم [10]
باتوجه به انعطاف پذیری تقاضا، دسترسی به یک تسهیل می‌تواند برحسب مجاورت با مشتریان بالقوه اش (وِرتر و لاپیِره)، به صورت کل زمان موردنیاز برای دریافت سرویس (پارکر و سرینیواسان) مدل سازی شود. در این مورد یا موارد دیگر، شکل تابع تقاضای مورداستفاده، گسترشی از انعطاف پذیری تقاضا را نشان می‌دهند. بیشتر توابع تقاضای رایج در مقالات به شکل‌های زیر هستند: تابع خطی (وِرتر و لاپیِره؛ پارکر و سرینیواسان)؛ تابع نمایی (بِرمن و پارکان؛ بِرمن و کاپلان و درِزنِر)؛ و تابع مرحله‌ای (بِرمن و کِراس).
اگر انتخاب مشتری را درنظر بگیریم ( که بدین معنی است که هر عضو این حق را دارد که خود تسهیلش را انتخاب کند و نه اینکه توسط یک مرکز به یکی اختصاص پیدا کند)، یک گروه از مقالات، انتخاب بهینه را فرض می‌کنند، یعنی، هر مشتری، تسهیلی که برحسب مزیتش بهینه است را انتخاب می‌کند. بسیاری از نویسندگان به سادگی فرض می‌کنند که مشتریان به نزدیکترین تسهیل مراجعه می‌کنند، درحالیکه پارکر و سرینیواسان فرض می‌کنند که مشتریان، تسهیلی که بیشترین منفعت را دارد انتخاب می‌کنند. درمقابل، گروه دوم مطالعات، انتخاب احتمالی را فرض می‌کنند، یعنی، انتخاب تسهیل توسط مشتری، براساس توزیع احتمالی است که از سودمندی و مجاورت هر تسهیل ایجاد می‌شود. این فرض اغلب در محیط بازار استفاده می‌شود و شاید یک کار اصولی از هاف، مؤثرترین مدل در این دسته باشد. همچنین ماریانوف و همکارانش یک مسأله مکانیابی تسهیلات با تراکم را پیشنهاد کردند که از یک مدل انتخابی احتمالی برای نشان دادن رفتار تخصیص مشتریان استفاده می‌کرد.
مسأله موردنظر ما که تا حدودی در تئوری مکان‌یابی تسهیلات، پایه‌ای به حساب می‌آید، توجّهات بسیاری را در مقالات به خود جلب کرده‌است؛ مخصوصاً اینکه تقابل جنبه‌های مکانیابی و تصادفی (صف بندی)، آن را چالش برانگیز کرده‌است [11]. این مسأله متعلق به دسته‌ای از مسائل مکانیابی با تقاضای تصادفی و تراکم و سرویس دهندگان ثابت (LPSDC) است که توسط بِرمن و کراس مرور شده‌است. مطالعه مدل‌هایی از این نوع، با ماریانوف و سِرا در سال 1998 شروع شده‌است. مقالات دیگری نیز در این زمینه نوشته شده‌است که می‌توان به مقالات بِرمن، کراس و وانگ؛ ماریانوف و ریوس؛ ماریانوف و سِرا؛ وانگ، باتا و رامپ اشاره کرد. به علت پیچیدگی باطنی مسأله، همه مقالاتی که در بالا آورده شده، ساده سازی‌های بزرگی را انجام داده‌اند: فرض می‌شود که تقاضا گسسته است، یا فرض می‌شود که تعداد یا ظرفیت تسهیلات (یا هر دو) ثابت هستند، فرض می‌شود که مکان‌های تسهیلات بالقوه گسسته و بینهایت هستند، فرض می‌شود که فرایند رسیدن تقاضا پواسن باشد و همچنین معمولاً فرض می‌شود که فرایند خدمت‌رسانی نمایی است.
ترکیب حالت تصادفی (شامل تراکم بالقوه در تسهیلات) در مدل‌های نوع پوشش تسهیلات، با مسأله مکانیابی حداکثر پوشش موردانتظار (MEXCLP) توسط داسکین شروع شد؛ و تعداد قابل ملاحظه‌ای از دیگر کاربردها نیز در ادامه آن آورده شد. اما این مدل شامل بعضی ساده سازی‌های بزرگی بود، برای مثال: احتمال اینکه یک خدمت‌رسان مشغول باشد، مستقل از هر خدمت دهنده دیگری است و این موضوع برای همه خدمت دهندگان یکسان است؛ این احتمالات نسبت به مکان و حجم کار یکسان هستند. ماریانوف و سِرا فرض کردند که: (1) تقاضای مشتریان توسط یک فرایند پواسن تولید می‌شود؛ (2) توزیع زمان خدمت نمایی است؛ (3) هر تسهیل به صورت یک سیستم صف M/M/1/a با ظرفیت محدود a عمل می‌کند؛ و (4) همه تقاضاها هنگامی‌که برای خدمت‌رسانی به سیستم می‌رسند، اگر سیستم پر باشد، فرض می‌شود که تقاضا از دست می‌رود. توسط این مدل، تقاضای مشتریان ممکن است ازبین برود، چون یا تسهیل در شعاع پوشش آن وجود ندارد و یا تسهیلات مسدود شده‌اند. هدف، قرار دادن m تسهیل به گونه‌ای است که تقاضا‌ها را هرچه بیشتر پاسخ دهد. ماریانوف و ریوس این مدل را برای مکانیابی دستگاه‌های خودپرداز به کار گرفتند. در مدل آن‌ها، دستگاه‌ها، حافظه کوچکی دارند که هر کدام می‌تواند تعداد ثابتی، b، درخواست را نگهدارند که آن به این علت است که درخواست‌های دستگاه‌ها، اندازه ثابتی (53 بایت) دارند. همچنین دستگاه‌ها به صورت یک صف M/M/1، حداکثر b درخواست در صف (یعنی حافظه) را انجام می‌دهد. اگر یک درخواست درحالی برسد که حافظه پر است، آن درخواست ازدست می‌رود (و باید دوباره فرستاده شود)، و برای اینکه مطمئن باشیم که این رویداد نادر است، یک محدودیت سطح سرویس اعمال شده‌است. به هر حال تعداد کل دستگاه‌ها،به جای اینکه به عنوان قسمتی از فرایند بهینه سازی تعیین شود، ثابت هستند. مدل LSCP این مدل توسط ماریانوف و سِرا گسترش داده شد که در آن، هدف، پیدا کردن حداقل تعداد تسهیلات به گونه‌ای است که همه مشتریان، یک تسهیل در شعاع پوششان داشته باشند و محدودیت بر روی حداکثر نسبت تقاضای از دست رفته (یا حداکثر زمان انتظار) رعایت شود. باید به یاد داشته باشیم که این مدل، فرض می‌کند که مشتریان به جای اینکه به نزدیکترین تسهیل مراجعه کنند، می‌توانند به هر تسهیل باز شده‌ای در شعاع پوشش تخصیص یابند. بنابراین، آنها به جای مکانیسم انتخاب مشتری، مکانیسم انتخاب هدایت شده را انتخاب می‌کنند.
2-2-5-2- مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم
دو منبع بالقوه برای از دست دادن تقاضا به صورت زیر است [12]:
عدم پوشش: این مورد زمانی اتفاق می‌افتد که هیچ کدام از تسهیلات به اندازه کافی به مشتری نزدیک نیستند که سطح مناسبی از راحتی را فراهم کنند.
عدم سرویس: این مورد زمانی اتفاق می‌افتد که مشتری تصمیم می‌گیرد که یک تسهیل را ملاقات کند، اما باتوجه با سطح سرویسی که در آنجا دریافت می‌کند، ناراضی می‌شود. علت‌های زیادی ممکن است وجود داشته باشد که حادثه شکست خدمت اتفاق افتد: یکی از رایج ترین آنها (و مرتبط ترین به تصمیمات مکانیابی) تراکم (پرجمعیتی) در آن تسهیل است.
برای مدل سازی تقاضایی که به علت تراکم از دست می‌رود، ما هر تسهیل را به صورت یک صف مارکفی با ظرفیت ثابت معین درنظر می‌گیریم و فرض می‌کنیم که اگر این ظرفیت به دست آمده باشد، تقاضای مشتری هنگامی‌که درطول این دوره می‌رسد، از دست می‌رود (یعنی، مشتریان بالقوه‌ای که هنگام پر بودن سیستم می‌رسند، مسدود می‌شوند).
مدل‌های LPSDC اصولاً به تقابل چهار مجموعه از عناصر مربوط می‌شود [9]:
مشتریان: که برای انجام خدمت، درخواست می‌دهند.
تسهیلات: که به منابعی (خدمات دهندگان) که برای انجام خدمات موردنیاز است مکان می‌دهند.
خدمت دهندگان: که خدمت درخواست شده را انجام می‌دهند، و
درخواست انجام خدمت: که توسط مشتریان انجام می‌شود و بوسیله اتصال یک مشتری با یک خدمت دهنده دردسترس، رسیدگی می‌شود.
دیگر اجزاء موردنیاز برای توصیف یک مدل LPSDC به صورت زیر هستند: انواع فراهم شدن خدمت (که یا مشتریان به تسهیلات سفر می‌کنند تا به خدمت دهندگان دست یابند و یا خدمت‌دهندگان متحرّک، به مکان مشتریان سفر می‌کنند)، طبیعت و نتایج تراکم (هنگامی‌که یک تسهیل درخواست‌های بسیار زیادی برای انجام خدمت دریافت می‌کند، چه عکس العملی از خود نشان می‌دهد؟)، فرضیات رفتار مشتری (مشتریان تصمیم می‌گیرند که برای بدست آوردن خدمت، به کدام تسهیل مراجعه کنند یا یک «مرجع مرکزی» وجود دارد که مشتریان را به تسهیلات متصل می‌کند)، نوع اهداف و احتیاجات خاص دیگر مانند «استانداردهای پوشش» (که معمولاً به صورت محدودیت‌ها بیان می‌شود).
یک شبکه مشخص را فرض می‌کنیم ، که N، مجموعه گره‌ها و A مجموعه کمان‌هاست. برای از استفاده می‌کنیم که به کوتاهترین مسیر از x به y است.
مشتریان: فرض می‌شود که مشتریان در گره‌های شبکه واقع می‌شوند. نسبت را برای همه درخواست‌هایی که برای انجام خدمت از گره ایجاد می‌شود درنظر می گیریم که . معمولاً فرض می‌شود که کل تقاضای مشتریان برای خدمت‌رسانی، یک فرایند پوآسن از جنس زمان با نرخ است. همچنین فرایند درخواست خدمت برای هر گره i، یک فرایند پوآسن با نرخ می‌باشد. درحالیکه بیشتر مدل‌ها، از ساختار تقاضای مشتریانی که در بالا توضیح داده شد استفاده می‌کنند، بعضی تلاشها برای دخالت دادن امکان ازدست دادن تقاضا به علت تراکم انجام شده‌است. این می‌تواند بوسیله تعریف دوباره نرخ تقاضا در گره i به صورت تعریف شود که C، بعضی اندازه‌های هزینه تراکم است که بوسیله مشتریان اتفاق می‌افتد و یک تابع غیر افزایشی است. در ادامه این بخش، به طور عمومی فرض می‌کنیم که تحت تأثیر تراکم قرار نمی‌گیرد.
تسهیلات: ما فرض می‌کنیم که حداکثر M تسهیل وجود دارد که باید مکان‌یابی شود. ما فرض میکنیم که یک مجموعه گسسته از مکان‌های بالقوه تسهیلات X تعیین شده‌است (که ) و . این فرضیات نیز بدون از دست دادن عمومیت انجام می‌شود: باتوجه به استدلالاتی که توسط بِرمن، لارسون و چیو انجام شده‌است می‌توان نشان داد که اگر به تسهیلات اجازه دهیم که در هر جایی در طول کمان واقع شوند، یک حل بهینه در یک مجموعه گسسته از مکان‌ها بدست می‌آید که شامل گره‌های شبکه است که بوسیله بعضی نقاط داخلی در طول کمان ایجاد شده‌است. بنابراین، با تکمیل کردن مجموعه گره‌های اصلی بوسیله بعضی گره‌های «ساختگی» اضافی، می‌توان فرض کرد که X گره‌ای است.
خدمت دهندگان: هر تسهیل j می‌تواند بین 1 و K خدمت دهنده داشته باشد. بسته به ماهیت خدمتی که بوسیله این تسهیل انجام می‌شود، خدمت دهندگان یا ثابت هستند، یعنی به طور ثابت در تسهیل واقع می‌شوند، یا متحرک هستند، یعنی برای انجام خدمت به مکان مشتریان سفر می‌کنند. تعداد خدمت دهندگانی که در تسهیل j واقع می‌شوند، یک متغیرتصمیم گیری در مدل می‌باشد.
درخواست خدمت: معمولاً یک درخواست برای انجام خدمت، به یک «یارگیری» بین مشتری ایجاد کننده درخواست و یکی از خدمت دهندگان موجود در سیستم احتیاج دارد. این کار معمولاً به صورت زیر انجام می‌شود:
اول باید تعیین کنیم که آیا مکان i بوسیله سیستم پوشش داده می‌شود یا خیر؟ معمولاً برای اینکه یک مشتری پوشش داده شود فرض می‌شود که با استاندارد‌های پوشش معینی مطابقت دارد (مثلاً، تعداد خدمت دهنده کافی باید در اطراف مشتری واقع شده باشد و غیره). این استانداردهای پوشش اغلب از طریق قانونگذاری یا قوانین اجرایی ایجاد می‌شود. اگر مکان مشتری i پوشش داده نشده باشد، همه درخواست‌های خدمت که از i ایجاد می‌شود، به صورت خودکار بوسیله سیستم برگردانده می‌شود (صرفنظر از اینکه آیا سیستم در حال حاضر متراکم هست یا خیر؟). معمولاً برای از دست دادن پوشش مجموعه یک جریمه درنظر گرفته می‌شود. یک تفسیر دیگر از گسترش ندادن پوشش به یک مشتری این است که مشتری بوسیله بعضی خدمات «دیگر» یا «ذخیره» پوشش داده شود (مثلاً، یک خدمت آمبولانس غیردولتی)؛ پس جریمه پوشش ندادن، می‌تواند به عنوان حق الزحمه قرارداد فرعی تفسیر می‌شود.
زمانی که معین می‌شود که درخواست خدمت از یکی از مشتریان «پوشش داده شده» بیاید، یک ارزیابی انجام می‌شود که آیا حالت فعلی سیستم اجازه می‌دهد که فرایند درخواست انجام شود یا خیر؟ این ارزیابی معمولاً در دو مرحله اتفاق می‌افتد: اول، قوانین منطقه‌ای و مکان مشتری برای تعیین «زیرسیستم» مشتری، استفاده می‌شود، یعنی، کدام تسهیلات و خدمت دهندگان می‌توانند به طور بالقوه به این درخواست پاسخ دهند (این ممکن است شامل همه خدمت دهندگان در شبکه شود و یا فقط خدمت دهندگانی که در شعاع سفر معینی از مکان مشتری واقع شده‌اند و غیره). بعد، تعداد درخواست‌های انجام نشده در زیرسیستم ارزیابی می‌شود و تصمیم گیری می‌شود که آیا این درخواست پذیرفته شود یا رد شود؟ این تصمیم معمولاً براساس ظرفیت زیرسیستم صورت می‌پذیرد (مثلاً برای یک صف «ازدست رفته»، اگر هیچ خدمت دهنده‌ای در حال حاضر دردسترس نباشد، یک عدم پذیرش ممکن است اتفاق بیفتد؛ در موارد دیگر ممکن است این محدودیت وجود داشته باشد که چه تعداد درخواست می‌تواند در یک زمان مشخص در صف وجود داشته باشد). معمولاً یک جریمه مرتبط با قبول نکردن یک درخواست وجود دارد. باز هم تأکید می‌کنیم، برخلاف نپذیرفتن یک درخواست از مشتریانی که پوشش داده نشده‌اند که به صورت خودکار است، نپذیرفتن درخواست یک مشتری که پوشش داده شده‌است، براساس حالت سیستم است. به خاطر داشته باشید که قوانین منطقه ای، درجه همکاری بین تسهیلات گوناگون و خدمت دهندگان را در سیستم معین می‌کند.
بعد، درخواست پذیرفته شده به یکی از تسهیلات متصل می‌شود (یعنی تخصیص پیدا می‌کند). این تخصیص ممکن است به قوانین اتصال مطمئن بستگی داشته باشد، همانطور که به حالت فعلی سیستم بستگی دارد (مثلاً، یک درخواست ممکن است به نزدیکترین تسهیل متصل شود و یا ممکن است به نزدیکترین تسهیل با حداقل یک خدمت دهنده آزاد متصل شود و غیره). همچنین قوانین اتصال به فرضیات رفتار مشتریان نیز بستگی دارد، یعنی اینکه کدام تسهیل باید این درخواست را انجام دهد به مشتری بستگی دارد یا به بعضی مراجع مرکزی. ما، این مورد را که مشتری تصمیم می‌گیرد که کدام تسهیل باید به درخواستش رسیدگی کند به عنوان «انتخاب کاربر» و موردی که یک مرجع مرکزی این تصمیم را می‌گیرد به عنوان «انتخاب هدایت شده» می‌شناسیم.
معمولاً یک درخواست پذیرفته شده در یک تسهیل معین، در صف قرار می‌گیرد تا یک خدمت دهنده، دردسترس قرار گیرد. زمانی که این اتفاق می‌افتد، خدمت دهنده و مشتری «یارگیری» کرده‌اند. درمورد خدمت دهندگان متحرک، لازم است که این خدمت‌دهندگان از مکان فعلی شان به مکان مشتری سفر کنند (که متحمل هزینه سفر می‌شوند).
معمولاً مسائل مکانیابی با خدمت دهندگان متحرک، دارای مشخصات زیر هستند:
این تخصیص بستگی به حالت فعلی خدمت دهندگان در زمان ارسال دارد. برای خدمت دهندگان ثابت، این تخصیص ممکن است قبل از تصمیم گیری برای انجام خدمت اتفاق بیفتد، بنابراین ممکن است گفته شود که خدمت دهندگان متحرک ممکن است با یکدیگر همکاری کنند، درحالیکه خدمت دهندگان ثابت تمایلی به این کار ندارند.
اگر یک کاربر، درخواستی را انجام دهد و نزدیکترین خدمت دهنده مشغول باشد، خدمت دهنده دیگری ارسال می‌شود. یعنی، این تخصیص، در حالت مطلق، به نزدیکترین تسهیل اتفاق نمی‌افتد.
مسائل مکانیابی احتمالی اغلب می‌توانند به خوبی به صورت مجموعه مستقلی از سیستم‌های صف، مدل سازی شوند. این استقلال، ازطریق ابزاری ناشی می‌شود که حتی اگر زمان‌های خدمت از یک توزیع نمایی پیروی کنند، درمورد هنگامی‌که زمان سفر احتمالی است، این امر صادق نیست. بنابراین، تئوری صف M/G/m مناسب‌تر از تئوری M/M/m است.
حال به فرموله کردن مسأله می‌پردازیم. محدودیت‌های مسأله معمولاً شامل موارد ذیل است:
- یک حد بالای M بر روی کل تعداد تسهیلاتی که می‌توانند واقع شوند:
(14.2)
- یک حد بالای K بر روی کل تعداد خدمت دهندگانی که می‌تواند واقع شوند:
(15.2)
- استانداردهای پوشش: بسته به احتیاجات پوششی که استفاده می‌شود، می‌تواند شکل‌های گوناگونی به خود بگیرد. شاید ساده ترین (و قدیمی‌ترین) شکل این محدودیت‌ها، به این نیاز دارد که حداقل تعداد مشخصی از این خدمت دهندگان ،، باید در حداکثر فاصله مشخصی از هر مکان مشتری i، واقع شوند. اجازه دهید زیرمجموعه‌ای از مکان‌های تسهیلات بالقوه در فاصله موردنیاز از i باشد. پس این محدودیت می‌تواند به صورت زیر بیان شود:
(16.2)
شکل پیچیده تر این محدودیت پوشش، ممکن است احتیاجاتی احتمالی را به زمان‌های پاسخ تحمیل کند. مثلاً، یک پاسخ سه دقیقه‌ای زمان پاسخ را درنظر بگیرید که برای درخواست‌های آمبولانس با ارجحیت بالا موردنیاز است. شکل دیگری از محدودیت‌ها، ممکن است یک حد بالایی را بر روی نسبت درخواست‌هایی که برگردانده می‌شود ،، اعمال کند. به طور خلاصه، ما می‌توانیم یک محدودیت عمومی را به صورت زیر ارائه کنیم. اجازه دهید که یک متغیر تصادفی باشد که بیانگر «سطح سرویسی» است که بوسیله سیستم به نقاط تقاضای مشتری i تحویل می‌شود (مثلاً، زمان پاسخ). اجازه دهید، ، بیانگر حداقل فراوانی مطلوب این اتفاق باشد (مثلاً، 95% از این زمان). بنابراین، یک محدودیت سطح سرویس کلی می‌تواند به صورت زیر بیان شود:
(17.2)
اکنون، مسأله LPSDC عمومی می‌تواند به صورت زیر فرمول بندی شود:
(18.2)
باتوجه به محدودیت‌های (15)، (16) و (17)

بدیهی است که برای اینکه فرمول بندی بالا را ساده کنیم، به بعضی روشها احتیاج داریم تا پارامترهای کارایی سیستم گوناگونی را که در توسعه تابع هدف و محدودیت‌ها استفاده شد را ارائه کنیم (یعنی، احتمال برگرداندن ، زمان انتظار صف و غیره). متأسفانه، معمولاً بیان تحلیلی کلی برای این مقادیر دردسترس نیست. این منجر به دو رویکرد ممکن می‌شود: رویکرد اول نیاز دارد که فرضیاتی ساده سازی مطمئنی را بر روی عملیات سیستم ایجاد کنیم (مانند قوانین منطقه‌ای ساده، زمان‌های سفر قابل اغماض و غیره). دومین رویکرد شامل استفاده از تکنیک‌هایی براساس توصیف است (مثل شبیه سازی) تا اندازه‌های کارایی سیستم موردنیاز را برای مقادیر خاص بردار مکان x محاسبه کنیم. علاوه بر آن می‌توان از بعضی تکنیک‌های ابتکاری استفاده کرد.
2-3- نظریه صف
انتظار در صف هر چند بسی ناخوشایند است، اما متأسفانه بخشی از واقعیت اجتناب ناپذیر زندگی را تشکیل می‌دهد. انسان‌ها در زندگی روزمره خود با انواع مختلف صف، که به از بین رفتن وقت، نیرو و سرمایه آن‌ها می‌انجامد، روبه رو می‌شوند. اوقاتی که در صف‌های اتوبوس، ناهارخوری، خرید و نظایر آن‌ها به هدر می‌رود، نمونه‌های ملموسی از این نوع اتلاف‌ها در زندگی است. در جوامع امروزی صف‌های مهمتری وجود دارد که هزینه‌های اقتصادی و اجتماعی آن‌ها به مراتب بیش از نمونه‌های ساده فوق است.
2-3-1- مشخصات صف [13]
یک مدل صف در شکل (2-1) نشان داده شده‌است. آن می‌تواند یک مدل صف مثل ترتیب ماشین آلات یا اپراتورها باشد.

شکل 2-1- مدل پایه‌ای صف
یک مدل صف بوسیله مشخصات زیر توصیف می‌شود:
فرایند رسیدن مشتریان
معمولاً فرض می‌کنیم که زمان بین رسیدن‌ها مستقل هستند و یک توزیع رایج دارند. در بسیاری از کاربردهای عملی، مشتریان باتوجه به یک جریان پواسن (یعنی زمان بین رسیدن‌ها نمایی) می‌رسند. مشتریان ممکن است یک به یک و یا به صورت دسته‌ای برسند.
رفتار مشتریان
مشتریان ممکن است صبور باشند و راضی باشند که (برای یک مدت طولانی) منتظر بمانند. یا مشتریان ممکن است کم حوصله باشند و بعد از مدتی صف را ترک کنند.
زمان‌های رسیدن
معمولاً فرض می‌کنیم که زمان‌های رسیدن مستقل هستند و به طور یکسان توزیع شده‌اند و مستقل از زمان بین رسیدن‌ها هستند. مثلاً زمان‌های رسیدن ممکن است به صورت قطعی یا نمایی توزیع شده باشد. همچنین ممکن است که زمان‌های رسیدن، وابسته به طول صف باشد.
نظم سرویس
ترتیبی که مشتریان ممکن است به صف وارد شوند به صورت‌های زیر می‌تواند باشد:
کسی که اول می‌آید، اوّل هم سرویس دهی می‌شود، مثل ترتیب رسیدن‌ها
ترتیب تصادفی
کسی که آخر می‌آید، اول سرویس دهی می‌شود.
حق تقدّم
اشتراک پردازنده (در کامپیوتر که قدرت پردازششان را در میان کل کارها در سیستم، به طور مساوی تقسیم می‌کنند).
ظرفیت سرویس
ممکن است یک سرور تک و یا گروهی از سرورها به مشتریان کمک کنند.
اتاق انتظار
ممکن است محدودیتهایی در رابطه با تعداد مشتریان در سیستم وجود داشته باشد.
یک کد سه قسمتی برای مشخص کردن این مدل‌های به صورت a/b/c استفاده می‌شود که حرف اول توزیع زمان بین رسیدن‌ها و حرف دوم توزیع زمان سرویس را مشخص می‌کند. مثلاً برای یک توزیع عمومی از حرف G و برای توزیع نمایی از حرف M (که M بیانگر فاقد حافظه بودن است) استفاده می‌شود. حرف سوم و آخر نیز تعداد سرورها را مشخص می‌کند. این نمادسازی می‌تواند با یک حرف اضافه که دیگر مدل‌های صف را پوشش دهد، گسترش یابد. مثلاً، یک سیستم با توزیع زمان بین رسیدن و زمان سرویس دهی نمایی، یک سرور و داشتن اتاق انتظار فقط برای N مشتری (شامل یکی در سرویس) بوسیله چهار کد حرفی M/M/1/N نشان داده می‌شود.
در این مدل پایه، مشتریان یک به یک می‌رسند و همیشه اجازه ورود به سیستم را دارند، همیشه اتاق وجود دارد، هیچ حق تقدّمی وجود ندارد و مشتریان به ترتیب رسیدن سرویس دهی می‌شوند.
در یک سیستم G/G/1 با نرخ رسیدن و میانگین زمان سرویس ، مقدار کار که در واحد زمان می‌رسد برابر است. یک سرور می‌تواند به یک کار در واحد زمان رسیدگی کند. برای جلوگیری از اینکه طول صف بینهایت نشود، باید .
معمولاً از نماد زیر استفاده می‌کنند:

اگر ، نرخ اشتغال یا بکارگیری سرور نامیده می‌شود، چون کسری از زمان است که سرور، مشغول کارکردن است.
2-3-2- قانون لیتِل [13]
اگر E(L)، میانگین تعداد مشتریان در سیستم، E(S)، میانگین زمان اقامت مشتری در سیستم باشد و ، متوسط تعداد مشتریانی باشد که در واحد زمان وارد سیستم می‌شوند، قانون لیتِل، رابطه بسیار مهمی را بین این سه نماد می‌دهد و به صورت زیر بیان می‌شود:
(19.2)در اینجا فرض می‌شود که ظرفیت سیستم برای رسیدگی به مشتریان کافی است (یعنی، تعداد مشتریان در سیستم به سمت بینهایت میل نمی‌کند).
به طور حسی، این نتیجه می‌تواند به صورت زیر فهمیده شود: فرض کنید که مشتریان هنگامی‌که به سیستم وارد می‌شوند، یک دلار در واحد زمان می‌پردازند. این پول می‌تواند به دو روش گرفته شود. روش اول اینکه به مشتریان اجازه دهیم که به طور پیوسته در واحد زمان بپردازند. پس متوسط درآمدی که توسط سیستم کسب می‌شود، برابر E(L) دلار در واحد زمان است. روش دوم این است که به مشتریان اجازه دهیم که برای اقامتشان در سیستم، 1 دلار را در واحد زمان در موقع ترک سیستم بپردازند. در موازنه، متوسط تعداد مشتریانی که در واحد زمان، سیستم را ترک می‌کنند برابر متوسط تعداد مشتریانی است که به سیستم وارد می‌شوند. بنابراین سیستم، یک متوسط درآمد دلار را در واحد زمان کسب می‌کند.
با به کار بردن قانون لیتِل در صف، رابطه‌ای بین طول صف، و زمان انتظار W به دست می‌آید:
(20.2)
2-3-3- صف M/M/1
این مدل، حالتی را درنظر می‌گیرد که زمان بین رسیدن‌ها، نمایی با میانگین ، زمان‌های سرویس، نمایی با میانگین و یک سرور مشغول کار است. مشتریان به ترتیب رسیدن، سرویس دهی می‌شوند. ما نیاز داریم که:
(21.2)درغیراینصورت، طول صف منفجر خواهد شد (قسمت قبل را ببینید). مقدار ، کسری از زمان است که سرور، مشغول کار است.
میانگین تعداد مشتریان در سیستم و همچنین میانگین زمانی که در سیستم گذرانده می‌شوند به صورت زیر بیان می‌شود:
(22.2)
و با استفاده از قانون لیتِل،
(23.2)
میانگین تعداد مشتریان در صف، ، می‌تواند از E(L) و با کم کردن میانگین تعداد مشتریان در سیستم بدست آید:
(24.2)
میانگین زمان انتظار، E(W)، از E(S) و با کم کردن میانگین زمان سرویس بدست می‌آید:
(25.2)
2-4- مسائل بهینه سازی چندهدفه
بسیاری از مسائل کاربردی در جهان واقعی را مسائل بهینه سازی ترکیباتی چندهدفه تشکیل می‌دهند، زیرا متغیر‌های مجزا و اهداف متضاد به طور واقعی در ذات آنها است. بهینه سازی مسائل چندهدفه نسبت به مسائل تک هدفه متفاوت بوده، زیرا شامل چندین هدف است که باید در بهینه‌سازی به همه اهداف همزمان توجه شود. به عبارت دیگر الگوریتم‌های بهینه سازی تک هدفه، حل بهینه را با توجه به یک هدف می یابند و این در حالی است که در مسائل چندهدفه (با چندهدف مخالف و متضاد) معمولاً یک حل بهینه مجزا را نمی توان بدست آورد. بنابراین طبیعی است که مجموعه ای از حل‌ها برای این دسته از مسائل موجود بوده و تصمیم گیرنده نیاز داشته باشد که حلّی مناسب را از بین این مجموعه حل‌های متناهی انتخاب کند و در نتیجه حل مناسب، جواب‌هایی خواهد بود که عملکرد قابل قبولی را نسبت به همه اهداف داشته باشد.
2-4-1- فرمول بندی مسائل بهینه سازی چندهدفه
مسائل بهینه سازی چندهدفه را به طور کلی می‌توان به صورت زیر فرموله کرد:
(26.2)

x یک حل است و S مجموعه حل‌های قابل قبول و k تعداد اهداف در مسأله و F(x) هم تصویر حل x در فضای k هدفی و هم مقدار هر یک از اهداف است.
تعریف حل‌های غیرمغلوب: حل a حل b را پوشش می‌دهد، اگر و تنها اگر:
(27.2)
(28.2)
به عبارت دیگر، حل‌های غیرمغلوب، به حل‌های گفته می‌شود که حل‌های دیگر را پوشش داده ولی خود، توسط حل‌های دیگر پوشش داده نمی‌شوند. در شکل (2-2) چگونگی پوشش سایر حل‌ها (دایره‌های با رنگ روشن) توسط مجموعه حل‌های غیرمغلوب (دایره‌های تیره رنگ) نشان داده شده‌است. در این شکل، جبهه‌ی پارتو با خط چین نشان داده شده‌است.
هدف B
هدف A
هدف B
هدف A

شکل 2-2- مجموعه حل‌های غیرمغلوب
2-4-2- الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه سازی مسائل چندهدفه بر مبنای الگوریتم ژنتیک
با توجه به آنکه بسیاری از مسائل بهینه سازی، NP-Hard هستند، بنابراین حل به روش‌های دقیق در یک زمان معقول غیرممکن بوده و در نتیجه، استفاده از روش‌های فراابتکاری در این موارد مناسب می باشد. درحقیقت الگوریتم‌های فراابتکاری برای زمانی که محدودیت زمانی وجود دارد و استفاده از روش‌های حل دقیق میسّر نبوده و یا پیچیدگی مسائل بهینه سازی زیاد باشد، به دنبال جواب‌های قابل قبول هستند.
اولین پیاده سازی واقعی از الگوریتم‌های تکاملی، «الگوریتم ژنتیک ارزیابی برداری» توسط دیوید اسکافر در سال 1984 انجام گرفت. اسکافر الگوریتم را به سه بخش انتخاب، ترکیب و جهش که به طور جداگانه در هر تکرار انجام می‌شدند، تغییر داد. این الگوریتم به صورت کارآمدی اجرا می‌شود، اما در برخی از حالات مانند اریب بودن اهداف، با مشکل مواجه می‌شود. درواقع هدف اول الگوریتم‌های بهینه یابی چندهدفه، یعنی رسیدن به جواب‌های بهینه پارتو، به نحو شایسته‌ای توسط این الگوریتم بدست می‌آید، ولی جواب‌های بدست آمده از گستردگی و تنوع خوبی برخوردار نیستند.
در ادامه این قسمت، به سه الگوریتم تکاملی چند هدفه که مبنای اصلی آنها، الگوریتم ژنتیک می‌باشد، می‌پردازیم. الگوریتم NSGA-II به این خاطر انتخاب شده‌است که این الگوریتم در بسیاری از مقالات به عنوان الگوریتم مرجع مقایسه گردیده‌است. الگوریتم CNSGA-II نیز به این علت انتخاب شده‌است که روشی مناسب برای برخورد با محدودیت‌های حل مسأله ارائه می‌کند؛ چون باتوجه به ماهیت مسأله، چندین محدودیت سر راه حل مسأله ایجاد شده‌است که راهکار مناسبی برای رسیدگی به این محدودیت‌ها ایجاب می‌کند. الگوریتم NRGA نیز چون جزء جدیدترین الگوریتم‌های ارائه شده در زمینه بهینه سازی چندهدفه می‌باشد مورداستفاده قرار گرفته‌است.
2-4-2-1- الگوریتم ژنتیک مرتب سازی نامغلوب
دب و همکارانش [14]، یک نخبه گرایی دسته بندی یا مرتب سازی نامغلوب را در الگوریتم‌های ژنتیک پیشنهاد دادند. در اغلب مواقع، این الگوریتم شباهتی به NSGA ندارد، ولی مبتکران نام NSGA-II را به دلیل نقطه پیدایش آن، یعنی همان NSGA، برای آن حفظ کردند.
در این روش، ابتدا جمعیت فرزندان، ، با استفاده از جمعیت والدین، ، ساخته می‌شود. در اینجا به جای پیدا کردن جواب‌های نامغلوب از ، ابتدا دو جمعیت با یکدیگر ترکیب شده و جمعیت با اندازه 2N را ایجاد می‌کنند. سپس از یک مرتب سازی نامغلوب برای دسته بندی تمام جمعیت استفاده می‌شود، البته این مرتب سازی، نسبت به مرتب سازی بر روی ، به تعداد مقایسه بیشتری نیاز دارد. در این شیوه، یک مقایسه عمومی در بین اعضای که مجموع دو جمعیت فرزندان و والدین است، انجام می‌شود و پس از ایجاد صف‌های متفاوت نامغلوب، به ترتیب اولویت (اولویت صفها نسبت به هم) جمعیت بعدی، یکی یکی از این صف‌ها پر می‌شود. پر کردن جمعیت ، با بهترین صف نامغلوب شروع شده و سپس به ترتیب با دومین صف نامغلوب و همین طور سومین و الی آخر، تا زمانی که پر شود، ادامه می‌یابد. از آنجا که اندازه برابر 2N است، تمام اعضای آن ممکن است نتوانند در قرارگیرند و به راحتی جواب‌های باقیمانده را حذف خواهیم کرد. شکل (2-3) نحوه عمل الگوریتم NSGA II را نمایش می‌دهد.

شکل 2-3- نمایشی از نحوه عملکرد NSGA-II
درمورد جواب‌هایی که در صف آخر با استفاده از عملگر نخبه گرایی ازبین می‌روند، باید مهارت بیشتری به کار برده و جواب‌هایی که در ناحیه ازدحام کمتری قراردارند را حفظ کرد. درواقع برای رعایت اصل چگالی در بین جواب‌ها، جواب‌هایی که در ناحیه ازدحامی کوچکتری هستند، برای پر کردن ، در اولویت قرار دارند.
یک استراتژی شبیه بالا در پیشرفت مراحل اولیه از تکامل الگوریتم، تأثیر زیادی نخواهد داشت، چرا که اولویت‌های زیادی در جمعیت ترکیب شده از فرزندان و والدین وجود دارد. احتمالاً جواب‌های نامغلوب زیادی وجود دارند که آماده قرارگرفتن در جمعیت قبل از آن که اندازه‌اش از N تجاوز کند، می‌باشند. یک مسأله مهم و در عین حال سخت این است که مابقی جمعیت چگونه باید پر شود؟ اگرچه درخلال مراحل بعدی شبیه سازی الگوریتم، احتمالاً بیشتر جواب‌های موجود در جمعیت با اندازه 2N، در رده جواب‌هایی با بهترین درجه نامغلوب بودن قرار می‌گیرند و تعداد آن‌ها از N متجاوز خواهد شد، اما الگوریتم بالا با یک راهکار موقعیتی انتخاب، وجود مجموعه متنوعی از جواب‌ها در جمعیت را تضمین می‌کند. با چنین راهکاری، یعنی زمانی که به‌نحوی تمام ناحیه بهینه پارتو توسط جمعیت پوشانده می‌شود، در ادامه الگوریتم، جواب‌های گسترده تری را در فضای جواب فراهم خواهدآورد.
در ادامه، الگوریتم NSGA-II را به اختصار آورده ایم [15]:
گام 1: جمعیت فرزندان و والدین را با یکدیگر ترکیب کرده و را می‌سازیم:

جمعیت حاصل را با استفاده از یک مرتب سازی نامغلوب به صفوف دسته بندی می‌کنیم.
گام 2: قرارمی‌دهیم، i=1، سپس تا زمانی که ، عملیات زیر را تکرار می‌کنیم:

گام 3: روال مرتب سازی ازدحام را اجرا کرده و با استفاده از مفهوم فاصله ازدحام، ارزشهای متفاوتی را برای از جواب‌های تعیین می‌کنیم.
گام 4: جمعیت فرزندان را از با استفاده از یک الگوریتم انتخاب مسابقه‌ای ازدحام و عملگرهای ترکیب و جهش ایجاد می‌کنیم.
گام سوم از الگوریتم بالا، مرتب سازی برحسب ازدحام جواب‌ها در صف i (منظور آخرین صفی است که احتمالاً برخی از جواب‌های موجود در آن نتوانسته‌اند در جمعیت قرار گیرند)، با بکارگیری مفهوم فاصله ازدحام انجام می‌شود. بنابراین، جمعیت به صورت نزولی تحت میزان بزرگی ارزش فاصله ازدحام مرتب شده و در گام چهارم یک عملگر انتخاب مسابقه‌ای ازدحام که مبنای مقایسه آن همان فاصله ازدحام است بکار برده می‌شود. لازم به ذکر است، مرتب سازی نامغلوب واقع در گام اول می‌تواند به همراه عمل پر کردن جمعیت به صورت موازی انجام شود. درواقع هر بار که یک صف نامغلوب، پیدا شده و تست می‌شود که ازنظر اندازه می‌تواند به جمعیت اضافه شود یا نه، درصورتی که نتواند، دیگر نیازی نیست که مرتب سازی بیشتری انجام دهیم. این موضوع، به کاهش زمان اجرا الگوریتم کمک می‌کند.
2-4-2-2- الگوریتم NSGA-II محدود شده
اگر در حین حل مسأله‌ای که باید حل شود، حل‌هایی ایجاد شود که با محدودیت‌های مسأله مغایرت داشته باشد و آن‌ها را نقض کند و درنتیجه غیرقابل قبول باشد، چگونه باید با این موضوع برخورد کرد؟ روش‌های مختلفی برای مقابله با این موضوع وجود دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به توابع جریمه و یا نادیده گرفتن و حذف حل غیرقابل قبول ایجاد شده اشاره کرد.
الگوریتم CNSGA-II، همانند الگوریتم NSGA-II عمل می‌کند، تنها با این تفاوت که برای رسیدگی به محدودیت‌ها، روشی را برمی‌گزیند که براساس مفهوم غلبه و امتیازدهی عمل می‌کند [14].
این روش که به محدودیت رسیدگی می‌کند، از انتخاب تورنمنت دودویی استفاده می‌کند که دو حل از جمعیت، انتخاب و حل بهتر انتخاب می‌شود. باتوجه به محدودیتها، هر حل می‌تواند یا قابل قبول و یا غیرقابل قبول باشد. بنابراین، ممکن است حداکثر سه وضعیت به وجود آید:
هرد و حل قابل قبول باشند؛
یکی از حل‌ها قابل قبول و دیگری غیرقابل قبول باشد؛
هر دو حل غیر قابل قبول باشند.
برای مسائل بهینه سازی تک هدفه، از یک قانون ساده برای هر مورد استفاده می‌کنیم:
مورد 1) حلی که تابع هدف بهتری دارد را انتخاب می‌کنیم.
مورد 2) حل قابل قبول را انتخاب می‌کنیم.
مورد 3) حلی که کمترین انحراف از محدودیت‌ها را دارد انتخاب می‌کنیم. باتوجه به اینکه در هیچدام از موارد، اندازه تابع هدف و محدودیت‌ها با یکدیگر مقایسه نشده‌اند، هیچ نیازی به داشتن پارامترهای جریمه نیست، این موضوعی است که این رویکرد را مفید و جذاب کرده‌است.
درمورد مسائل بهینه سازی چندهدفه، دو مورد آخر می‌تواند همانطور که هستند استفاده شوند و مورد اول نیز می‌تواند با استفاده از اپراتور مقایسه ازدحام، حل شود. برای مقایسه کردن در این الگوریتم، تعریف «غلبه» را بین دو حل i و j تعریف می‌کنیم.
تعریف 1) حل i اگر یکی از وضعیت‌های زیر درست باشد، گفته می‌شود که از لحاظ محدودیت بر حل j غلبه دارد:
حل i قابل قبول است ولی حل j نیست.
حل i و j هر دو غیر قابل قبول می‌باشند، اما حل i انحراف از محدودیت کمتری دارد.
حل i و j قابل قبول هستند و حل i، حل j را مغلوب می‌کند.
اثر استفاده از مفهوم غلبه محدودیت این است که، هر حل قابل قبول، رتبه غیرمغلوبی بهتری از هر حل غیرقابل قبول دارد. همه حل‌های قابل قبول، باتوجه به سطح غلبه شان و براساس مقادیر توابع هدفشان رتبه بندی می‌شوند. به هر حال، از بین دو حل غیر قابل قبول، حلی که کمترین انحراف از محدودیت را دارد، دارای رتبه بهتری است. به هر حال، این اصلاح، در مفهوم غلبه، تغییری در پیچیدگی NSGA-II ندارد. بقیه فرایند CNSGA-II، همانطور که قبلاً درمورد NSGA-II توضیح داده شد، اجرا می‌شود.
2-4-2-3- الگوریتم ژنتیک رتبه بندی نامغلوب
این الگوریتم که توسط الجدان و همکارانش [16] ارائه شده، الگوریتم انتخاب چرخ رولت رتبه‌بندی شده را با الگوریتم رتبه بندی جمعیت برمبنای پارتو ترکیب می‌کند. در این الگوریتم از الگوریتم انتخاب چرخ رولتی استفاده شده‌است که به هر عضو، یک اندازه برازش برابر با رتبه اش در جمعیت، تخصیص می‌دهد؛ بالاترین رتبه، بیشترین احتمال را دارد که انتخاب شود (درمورد ماکزیمم سازی).
این احتمال به صورت معادله زیر محاسبه می‌شود:
(29.2)
که N، تعداد اعضاء این جمعیت است. در این الگوریتم، اعضاء در یک جبهه، براساس فاصله ازدحامشان و جبهه ها براساس رتبه غلبه شان رتبه می‌گیرند.
الگوریتم NRGA، همان طور که سودوکد آن را در شکل (2-4) مشاهده می کنید، به این صورت است که ابتدا، یک جمعیت تصادفی والدین، P، ایجاد می‌شود. مرتب کردن جمعیت براساس غلبه است. به هر حل، برازشی (یا رتبه ای) برابر سطح غلبه اش، تخصیص داده می‌شود (1 برای بهترین سطح، 2 برای سطح بعدی و الی آخر).
Initialize Population P
{ Generate random population-size N
Evaluate Objective Values
Assign Rank (level) Based on Pareto dominance-sort }
Generate Child Population Q
{ Ranked based Roulette Wheel Selection
Recombination and Mutation }
for i=1 to g do
for each member of the combined population do
Assign Rank (level) Based on Pareto-sort
Generate sets of non-dominated fronts
Calculate the crowding distance between members on each front

user8342

S تابع هدف
Tدما KTa0 دمای مرکزی بدن Kt زمان sWb نرخ خون تزیق وریدی kg/(mas)Y دمای مورد نظر(اندازهگیری شده)
Greek letters a نفوذپذیری گرمایی m2/sβ اندازه گام حل
γ ضریب الحاقی
ε پارامتر توقف
θ زمان بیبعد
λ متغیر مسئله حساسیت
ρ چگالی بافت زنده kg/m3b خون
r* مشتق نسبت به r*
z* مشتق نسبت به z*η مشتق نسبت به ηξ مشتق نسبت به ξSuperscripts k تعداد تکرارها

فهرست مطالب
عنوانشماره صفحه
TOC o h z u فصل اول: مقدمه PAGEREF _Toc418272714 h 11-1 مقدمه: PAGEREF _Toc418272715 h 21-2- تاریخچه: PAGEREF _Toc418272716 h 7فصل دوم: بررسی روش‌های بهینه‌سازی توابع PAGEREF _Toc418272717 h 152-1 مسائل بهینه‌سازی PAGEREF _Toc418272718 h 162-2 دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازی PAGEREF _Toc418272719 h 172-3 راه‌حل کلی PAGEREF _Toc418272720 h 182-4 نرخ هم‌گرائی PAGEREF _Toc418272721 h 192-5-1 محاسبه گرادیان PAGEREF _Toc418272722 h 222-5-2 تعیین طول گام بهینه در جهت کاهش تابع PAGEREF _Toc418272723 h 232-6 معیار هم‌گرائی PAGEREF _Toc418272724 h 242-7 روش کاهش سریع PAGEREF _Toc418272725 h 252-8 مقدمه ای بر روش انتقال حرارت معکوس PAGEREF _Toc418272726 h 252-8-1 مقدمه PAGEREF _Toc418272727 h 252-8-2 مشکلات حل مسائل انتقال حرارت معکوس PAGEREF _Toc418272728 h 272-8-3 ارزیابی روش‌های مسائل معکوس حرارتی PAGEREF _Toc418272729 h 312-8-4 تکنیک‌های حل مسائل انتقال حرارت معکوس PAGEREF _Toc418272730 h 322-8-5 تکنیک I PAGEREF _Toc418272731 h 342-8-5-1 شرح تکنیک PAGEREF _Toc418272732 h 342-8-5-2 روش‌های محاسبه ضرایب حساسیت PAGEREF _Toc418272733 h 372-8-6 تکنیک II PAGEREF _Toc418272734 h 382-8-6-1 متد گرادیان مزدوج PAGEREF _Toc418272735 h 382-8-6-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک دوم PAGEREF _Toc418272736 h 442-8-6-3 اندازه‌گیری پیوسته PAGEREF _Toc418272737 h 452-8-7 تکنیک III PAGEREF _Toc418272738 h 462-8-7-1 روش گرادیان مزدوج با مسئله اضافی جهت تخمین پارامترها PAGEREF _Toc418272739 h 462-8-7-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک سوم PAGEREF _Toc418272740 h 492-8-8 تکنیک IV PAGEREF _Toc418272741 h 502-8-8-1 گرادیان مزدوج با مسئله الحاقی برای تخمین توابع PAGEREF _Toc418272742 h 502-8-8-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک چهارم PAGEREF _Toc418272743 h 52فصل سوم: مدل ریاضی PAGEREF _Toc418272744 h 543-1 مقدمه PAGEREF _Toc418272745 h 553-2 مدل‌های هدایت گرمایی PAGEREF _Toc418272746 h 553-2-1 مدل پنز PAGEREF _Toc418272747 h 553-2-2 مدل چن هلمز [26] PAGEREF _Toc418272748 h 60فصل چهارم: تخمین شار حرارتی گذرا در حالت متقارن محوری PAGEREF _Toc418272749 h 614-1- فیزیک مسئله PAGEREF _Toc418272750 h 624-2- محاسبه توزیع دما در حالت گذرا PAGEREF _Toc418272751 h 63در این بخش به بررسی روش حل معادلات انتقال حرارت متقارن محوری در حالت گذرا پرداخته میشود. PAGEREF _Toc418272752 h 634-2-1 معادله حاکم PAGEREF _Toc418272753 h 634-2-2- معادلات حاکم در دستگاه مختصات عمومی PAGEREF _Toc418272754 h 644-2-3- متریک ها و ژاکوبین های تبدیل PAGEREF _Toc418272755 h 654-2-4 تبدیل معادلات از صفحه فیزیکی به صفحه محاسباتی PAGEREF _Toc418272756 h 674-2-5- گسسته سازی معادلات PAGEREF _Toc418272757 h 694-2-6 شرایط مرزی مسئله PAGEREF _Toc418272758 h 714-3 مسئله معکوس PAGEREF _Toc418272759 h 744-3-1 مسئله حساسیت PAGEREF _Toc418272760 h 754-3-2 مسئله الحاقی PAGEREF _Toc418272761 h 764-3-3 معادله گرادیان PAGEREF _Toc418272762 h 764-3-4 روش تکرار PAGEREF _Toc418272763 h 774-5: تخمین شار حرارتی مجهول در مدل سه لایه PAGEREF _Toc418272764 h 774-5-1 معادله حاکم PAGEREF _Toc418272765 h 784-5-2 شرایط مرزی مساله PAGEREF _Toc418272766 h 784-5-3 مسئله معکوس PAGEREF _Toc418272767 h 804-5-3-1 مسئله حساسیت PAGEREF _Toc418272768 h 804-5-3-2 مسئله الحاقی PAGEREF _Toc418272769 h 81فصل پنجم: نتایج PAGEREF _Toc418272770 h 82نتیجه گیری: PAGEREF _Toc418272771 h 94پیوست الف PAGEREF _Toc418272772 h 95پیوست ب PAGEREF _Toc418272773 h 96اعتبارسنجی حل مستقیم PAGEREF _Toc418272774 h 96مراجع: PAGEREF _Toc418272775 h 115
فهرست جداول
جدول2-1- دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازی18
جدول 4-1. خواص لایه های استفاده شده79
جدول5-1. خطایRMS برای توابع مختلف در نظر گرفته شده برای شار حرارتی88

فهرست اشکال
شکل 2-1- نمودار روند بهینه‌سازی تابع هدف19
شکل 2-2- جهت‌های سریع‌ترین افزایش21
شکل3-1. المان در نظر گرفته‌شده برای به دست آوردن معادله انتقال حرارت زیستی پنز56
شکل 4-1 نمایش فیزیک مسئله62
شکل 4-2 - نمایش صفحه مختصات فیزیکی و محاسباتی64
شکل 4-3-نمایش گره مرکزی و هشت گره همسایه آن70
شکل 4-4- نمایش صفحه محاسباتی71
شکل 4-5- نمایش شرایط مرزی در صفحه فیزیکی71
شکل 4-6- نمایش مساله سه لایه در صفحه محاسباتی78
شکل 4-7- نمایش هندسه مساله متشکل از سه لایه مختلف بافت مغز، استخوان و پوست سر80
شکل5-1 شبکه مورد استفاده در حل مسئله و موقعت سنسورها83
شکل 5-2. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد85
شکل 5-3. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پله میباشد85
شکل 5-4. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابعی ترکیبی از sin و cos میباشد86
شکل5-5. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد86
شکل 5-6. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پلهای میباشد87
شکل5-7. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابعی ترکیبی از sin و cos میباشد87
شکل 5-8. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد89
شکل 5-9. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پله میباشد89
شکل 5-10. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع سینوس و کسینوس میباشد90
شکل 5-11. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع خطی میباشد90
شکل 5-12. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع پله میباشد91
شکل 5-13. مقایسه شار حرارتی محاسبه شده با استفاده از داده های نویزدار با شار حرارتی دقیق که بهصورت تابع سینوس-کسینوس میباشد91
شکل 5-14. مقایسه دمای محاسبه شده و دمای دقیق.92
شکل 5-15. شار محاسبه شده92
ضمائم:
شکل1- هندسه مستطیلی با شرایط مرزی دما ، عایق و شار حرارت96
شکل2- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 1 پس از 12 ثانیه97
شکل3- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 2 پس از 12 ثانیه98
شکل4- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 4 پس از 12 ثانیه98
شکل5- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 5 پس از 12 ثانیه99
شکل6- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره7 پس از 12 ثانیه99
شکل7- مقایسه منحنی‌های توزیع دمای گره 8 پس از 12 ثانیه100
شکل8- هندسه منحنی با شرایط مرزی عایق و شار حرارتی101
شکل9- مقایسه منحنی توزیع دما برای گره میانی پس از 60 ثانیه101
شکل 10- نمایش هندسه منحنی متشکل از سه لایه مختلف آزبست ، فولاد و آلومینیم102
شکل 11- نمایش کانتورهای توزیع دمای کد حاضر برای مسئله چندلایه103
شکل 12- نمایش کانتورهای توزیع دمای FLUENT برای مسئله چندلایه103
شکل 13- نمایش شبکه 30*30104
شکل 14- نمایش شبکه 40*40105
شکل 15- نمایش شبکه 50*50105
شکل 16- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 30*30 در مسئله یک‌لایه106
شکل 17- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 30*30 در مسئله دولایه106
شکل 18- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 30*30 در مسئله سه لایه107
شکل 19- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 40*40 در مسئله یک‌لایه107
شکل 20- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 40*40 در مسئله دولایه108
شکل 21- نمایش کانتورهای توزیع دما برای شبکه 40*40 در مسئله سه لایه108
شکل 22- نمایش منحنیهای توزیع دمای گره میانی در مسئله یک‌لایه109
شکل 23- نمایش منحنیهای توزیع دمای گره میانی در مسئله دولایه110
شکل 24- نمایش منحنیهای توزیع دمای گره میانی در مسئله سه لایه110
شکل 25- نمایش کانتورهای توزیع دمای کد حاضر برای هندسه نامنظم با تقارن محوری111
شکل 26- نمایش کانتورهای توزیع دمای FLUENT برای هندسه نامنظم با تقارن محوری112
شکل 27- نمایش کانتورهای توزیع دمای کد حاضر113
شکل 28- نمایش منحنیهای توزیع دمای مرکز کره113
شکل 29- نمایش منحنیهای توزیع دمای نقطهای که در موقعیت r=5 cm قرارگرفته114
شکل 30- نمایش منحنیهای توزیع دمای نقطهای که بر روی سطح کره قرارگرفته است114
فصل اول: مقدمه1-1 مقدمه: توسعه کامپیوتر و ابزار محاسباتی، رشد روش‌های عددی را برای مدل‌سازی پدیده‌های فیزیکی تسریع کرده است. برای مدل‌سازی یک پدیده فیزیکی به یک مدل ریاضی و یک روش حل نیاز است. مدل‌سازی مسائل هدایت حرارتی نیز بهمانند دیگر پدیده‌های فیزیکی با حل معادلات حاکم امکان‌پذیر است. برای حل مسائل هدایت حرارتی به اطلاعات زیر نیاز داریم:
هندسه ناحیه حل
شرایط اولیه
شرایط مرزی (دما یا شار حرارتی سطحی)
خواص ترموفیزیکی
محل و قدرت منبع حرارتی درصورتی‌که وجود داشته باشند.
پس از حل معادلات حاکم توزیع دما در داخل ناحیه حل به دست میآید. این نوع مسائل را مسائل مستقیم حرارتی می‌گوییم. روش‌های حل مسائل مستقیم از سال‌ها پیش توسعه‌یافته‌اند. این روش‌ها شامل حل مسائلی با هندسه پیچیده و مسائل غیرخطی نیز میگردند. علاوه بر این پایداری و یکتایی این روش‌ها نیز بررسی‌شده است. روش‌های اولیه عمدتاً بر مبنای حل‌های تحلیلی بودهاند.
این روش‌ها بیشتر برای مسائل خطی و با هندسه‌های ساده قابل‌استفاده هستند. برعکس، روش‌های عددی دارای این محدودیت نبوده و برای کاربردهای مهندسی بیشتر موردتوجه هستند.
دسته دیگر از این مسائل که در دهه‌های اخیر موردتوجه قرارگرفته‌اند، مسائل معکوس حرارتی هستند. در این نوع از مسائل یک یا تعدادی از اطلاعات موردنیاز برای حل مستقیم، دارای مقدار معلومی نمی‌باشند و ما قصد داریم از طریق اندازه‌گیری دما در یک یا چند نقطه از ناحیه موردنظر، به تخمین مقادیر مجهول بپردازیم.
به‌طورکلی می‌توان گفت که در مسائل مستقیم حرارتی، علت(شار حرارتی، هندسه و...) معلوم، و هدف یافتن معلول(میدان دما) است. اما در مسائل معکوس حرارتی، معلول(دما در بخش‌ها و یا تمام میدان)، معلوم است، و هدف یافتن علت (شار حرارتی، هندسه و...) است.
مسائل انتقال حرارت معکوس که IHTP نیز نامیده می‌شوند با استناد بر اندازه‌گیری‌های دما و یا شار حرارتی، کمیت‌های مجهولی را که در آنالیز مسائل فیزیکی در مهندسی گرمایی ظاهر می‌شوند، تخمین می‌زنند. به‌عنوان‌مثال، در مسائل معکوسی که با هدایت حرارت مرتبط می‌باشند، با استفاده از اندازه‌گیری دما در جسم می‌توان شار حرارتی مرز را اندازه‌گیری نمود. این در حالی است که در مسائل هدایت حرارت مستقیم با داشتن شار حرارتی، میدان دمای جسم مشخص می‌شود. یکی از مهم‌ترین مزایای IHTP همکاری بسیار نزدیک میان تحقیقات آزمایشگاهی و تئوری است. به‌عنوان‌مثال در تحقیقات آزمایشگاهی با استفاده از حس‌گر می‌توان دمای جسم را تعیین نمود. این دما به‌عنوان داده‌های ورودی معادلات تئوری برای اندازه‌گیری شار حرارتی مورداستفاده قرار می‌گیرد. درنتیجه جواب‌های به‌دست‌آمده از روابط تئوری تطابق بسیار خوبی با جواب‌های حقیقی خواهند داشت.
هنگام حل IHTP همواره مشکلاتی وجود دارد که باید تشخیص داده شوند. به علت ناپایداری جواب‌های IHTP، این مسائل ازلحاظ ریاضی در گروه مسائل بدخیم دسته‌بندی می‌شوند. به‌عبارت‌دیگر، به‌واسطه وجود خطاهای اندازه‌گیری در آزمایش‌ها، ممکن است جواب کاملاً متفاوتی به دست آید. برای غلبه بر این مشکلات روش‌هایی پیشنهاد داده‌شده‌اند که حساسیت جواب مسئله به خطای موجود در داده‌های ورودی را کمتر می‌کند. ازجمله این روش‌ها می‌توان به استفاده از دماهای زمانه‌ای بعدی، فیلترهای هموارسازی دیجیتالی اشاره نمود.
در سالهای اخیر تمایل به استفاده از تئوری و کاربرد IHTP رو به افزایش است. IHTP ارتباط بسیار نزدیکی با بسیاری از شاخه‌های علوم و مهندسی دارد. مهندسان مکانیک، هوافضا، شیمی و هسته‌ای، ریاضی‌دانان، متخصصان فیزیک نجومی، فیزیکدانان و آماردانان همگی با کاربردهای متفاوتی که از IHTP در ذهن دارند، به این موضوع علاقه‌مند می‌باشند.
مغز در داخل استخوان جمجمه و نخاع در داخل ستون فقرات جای گرفته است. سه پرده که درمجموع منژ نامیده میشوند، مغز و نخاع را از اطراف محافظت می‌کنند. مغز بیشترین انرژی بدن را مصرف میکند و منطقهی گرمی از بدن است. وزن مغز زن و مرد باهم متفاوت است. خوب است بدانیم که هنگام سکته مغزی فشار داخل جمجمه بالا می‌رود و داخل مغز به‌شدت گرم می‌شود پس باید به‌سرعت از فشار داخل جمجمه کاست تا بیمار دچار آسیب بیشتر نشود. همچنین، تخمین زده می‌شود در مغز انسان حدود یک‌صد میلیارد سلول عصبی یا نرون فعالیت می‌کنند . نرون یا سلول عصبی بر اساس مکانیسم الکتروشیمیایی فعالیت می‌کند ، اختلاف‌پتانسیل ناشی از افزایش و کاهش بار الکتریکی در یک نرون که از منفی 70 میلی ولت تا مثبت 70 میلی ولت در نوسان است باعث رها شدن یا ریلیز مواد مخدر طبیعی یا همان ناقل‌های عصبی از انتهای سلول عصبی یا آکسون می‌شود. فعالیت الکتریکی یک‌صد میلیارد سلول عصبی ، حرارت بسیار زیادی تولید می‌کند.
مغز برای خنک کردن خود نیاز به یک سیستم خنک‌کننده قوی دارد. در مغز انسان حدود 16 هزار کیلومتر رگ و مویرگ خونی وجود دارد. یکی از وظایف اصلی این سیستم علاوه بر تأمین سوخت میلیاردها سلول ،خنک کردن مغز است. به عبارتی حرارت مغز توسط این سیستم جذب می‌شود و با گردش خود درجاهایی مثل پیشانی، صورت و گوش‌ها آزاد می‌شود و خنک می‌شود. مصرف سیگار با افزایش غلظت خون باعث می‌شود تا حرکت خون در این مویرگ‌ها سخت شود و عملیات سوخت‌رسانی و خنک کردن مغز به‌درستی انجام نشود. به عبارتی افراد سیگاری مغزشان داغ‌تر از افراد غیر سیگاری است و سوخت کمتری به مغزشان می‌رسد. ریزش مو و دیرخواب رفتن یکی از نتایج بالا بودن دمای مغز است. اختلال در عملکرد سلول‌های عصبی و به دنبال آن اختلال در آزادسازی ناقل‌های عصبی و کنترل سیستم هورمونی از دیگر نتایج این وضعیت است.
از سوی دیگر، چندی پیش پزشکان برای نجات نوزادی از روش خنک کردن مغز استفاده  کردند که در نوع خودش بی‌نظیر و شگفت‌انگیز بود. نوزاد انگلیسی که هنگام تولد بند ناف به دور گردنش پیچیده شده بود و نفس نمی‌کشید، (اکسیژن کافی به مغزش نمی‌رسید) با فن خنک کردن مغز (به مدت 3روز) به زندگی بازگشت. پزشکان برای کم کردن نیاز مغز این نوزاد به اکسیژن، با استفاده از گاز زنون مغز او را سرد کرند. برای این کار از دستگاه جدیدی استفاده شد. آنان با جای دادن آلتی در مغز نوزاد، سر نوزاد را خنک نگه داشتند.نوزاد که مغزش به مدت 3 روز با این تکنیک خنک نگه‌داشته شد؛ در حال حاضر، در آغوش مادرش به زندگی لبخند میزند.
ممکن است که تقلا برای خوابیدن، بعد از یک روز خسته‌کننده با سرشماری گوسفندان یا خوردن قرصهای خواب هم چندان مؤثر نباشد، اما پژوهشگران دانشکده پزشکی پتینزبورگ در آخرین اجلاس «خواب» سال 2011 روش جالبی را برای درمان بیخوابی پیشنهاد کردند: خنک کردن مغز!
آن‌ها یک کلاه پلاستیکی خنک‌کننده ابداع کردند که قسمت‌های پیشانی را میپوشاند و با پایین آوردن دمای مغز می‌تواند به خواب سریع فرد کمک کند. پزشکان در تحقیقی که روی افراد عادی و بیمارانی که از بیخوابی رنج میبردند انجام دادند، افراد بیخواب بعد از پوشیدن این کلاه خاص، به‌طور میانگین در زمان 13 دقیقه به خواب رفتند، یعنی زمانی برابر افراد  سالم. دانشمندان فکر می‌کنند که این کلاه با پایین آوردن دمای مغز  سبب کاهش سوخت‌وساز آن (به‌ویژه در ناحیه پیشانی مغز) میشود و به خواب سریعتر و راحتتر فرد کمک میکند. هنوز این کلاهها به‌صورت تجاری وارد بازار نشده‌اند. همچنین عوارض احتمالی استفاده از آن‌ها مشخص نشده‌اند؛ مثلاً معلوم نیست که استفاده از این کلاه‌ها سبب تشدید علائم افراد مبتلابه سینوزیت خواهد شد یا نه؟ محققان دانشگاه نیویورک در پژوهش‌های مختلف خود دریافتند، خمیازه کشیدن نقش مهمی در تنظیم درجه حرارت مغز به عهده دارد. درصورتی‌که ناحیه سر «گرم» باشد، خمیازه با تحریک جریان خون و ضربان قلب گرمای بالای آن را کاهش میدهد. چرخه خواب و استرس، تابع نوسان درجه حرارت مغز است و کار خمیازه آن‌که این دمای پیوسته در حال تغییر را تنظیم و متوازن ‌کند. توضیح ساده محققان دانشگاه وین این است که ما با خمیازه کشیدن، دمای اطراف را دست‌کاری می‌کنیم. به تعبیر دیگر، دهن‌دره همانند ترموستات مغز عمل می‌کند. گروه تحقیقاتی دانشگاه وین برای بررسی این فرضیه، تناوب خمیازه کشیدن شهروندان در ماه‌های تابستانی و زمستانی را زیر نظر گرفت. مشابه همین بررسی در هوای خشک و ۳۷ درجه آریزونا انجام شد.
پژوهش‌ها نشان داد که مردم وین در تابستان بیشتر از زمستان خمیازه می‌کشند اما در آمریکا نتیجه کاملاً برعکس بود. علت روشن بود: متوسط دمای وین در تابستان ۲۰ درجه است و این متوسط حرارت زمستانی در آریزونا است. محققان آمریکایی و اتریشی بر این اساس فرضیه‌‌ای را طرح کردند: تعداد خمیازه‌ها به فصل سال یا بلندی و کوتاهی روز یا روشنایی و تاریکی محیط ربط ندارد بلکه موضوع به درجه حرارت ۲۰ درجه برمی‌گردد.
یک افشانه بینی که می‌تواند جان هزاران مبتلابه بیماری قلبی را نجات دهد توسط محققان انگلیسی مورد کار آزمایی قرارگرفته است. یک دستگاه ویژه برای پمپاژ سرد‌کننده پزشکی در بینی بیمار در حال انتقال به بیمارستان مورداستفاده قرار می‌گیرد. کارشناسان بر این باورند که این درمان می‌تواند جان افراد زیادی را نجات داده و از ابتلای تعداد زیادی از بیماران به آسیب‌های مغزی شدید و دائمی جلوگیری کند.
خدمات اورژانس ساحل جنوب شرفی بنیاد بهداشت انگلیس اولین سرویس آمبولانسی است که از این ابداع سوئیسی به‌عنوان بخشی از کار آزمایی پزشکان بیمارستان رویال ساسکس کانتی استفاده می‌کند. ماده سردکننده که توسط یک ماسک صورت منتقل می‌شود، جریان مداومی از مایع در حال تبخیر را به حفره بینی بیمار می‌فرستد. محققان توانسته‌اند پیشرفت‌های بزرگی را در نجات زندگی بیماران قلبی به دست آورند اما بسیاری با آسیب‌های چشمگیری در سلول‌های مغزی روبرو شده و در اثر کمبود اکسیژن ناشی از توقف عملکرد قلب می‌میرند. 
ایده افشانه بینی، خنک‌سازی هر چه سریع‌تر مغز در محل تماس پایه مغز با مدخل بینی است. گفته می‌شود خنک کردن مغز می‌تواند از سلول‌های مغزی در زمان نبود اکسیژن در خون محافظت کند. اگر این درمان زودهنگام ارائه شود، بیمار شانس بهبود بیشتری داشته و این فناوری جدید به پیراپزشکان اجازه خواهد داد پیش از رسیدن بیمار به بیمارستان عملیات خنک‌سازی را آغاز کنند. در حال حاضر برخی از خدمات اورژانس انگلیس از شیوه‌های مختلف فرآیند خنک‌سازی مانند قطره نمکی سرد و پدهای خنک‌کننده پیش از رسیدن بیمار به بیمارستان استفاده می‌کنند. اما این روش‌ها به‌طور مستقیم مغز را هدف قرار نداده و به‌جای آن بر خنک‌سازی کل بدن و خون برای دستیابی به تأثیر مشابه تکیه‌دارند.
1-2- تاریخچه:مطالعات آسیب‌شناسی مغزی به‌طور تجربی نشان می‌دهد که سرد کردن مغز پس از یک ایشکمی مغزی میتواند میزان صدمات وارده بر مغز را کاهش دهد. آسیب تراماتیک مغز(TBI) که معمولاً براثر آسیب‌های خارجی در تصادفات و ... اتفاق میافتد و آسیب ایشکمیک مغز که در اثر سکته مغزی ایجاد می‌شود، سبب آسیب‌های فراوانی بر مغز میشود. آزمایش‌ها و بررسی‌های مختلف نشان داده‌اند که کاهش دمای مغز حتی در حد 1 الی 2 درجه سانتی‌گراد فواید بسیاری از قبیل: محافظت در مقابل سکته, کاهش ورم و آماس و کاهش فشار داخلی مغز (ICP) دارد. سادگی و راندمان بالای سرمادرمانی مغز باعث شده است تا پزشکان از آن به‌عنوان یک‌راه حل کلینیکی جهت درمان نوزادانی که از عارضه خفگی (نرسیدن اکسیژن) در زمان تولد رنج می‌برند، استفاده کنند. همچنین سرد کردن فوری مغز درست در دقایق اولیه پس از حمله ایشکمی، امری مهم و ضروری در کاهش پیامدها و صدمات وارده بر مغز و نجات بیمار است. این عمل (سرد کردن فوری مغز) موجب افت متابولیسم مغز شده و درنتیجه نیاز آن را به دریافت اکسیژن و دفع دی‌اکسید کربن و بالطبع خون‌رسانی کاهش میدهد. گزارش‌های منتشرشده نشان دادهاند که کمخونی اثر مخرب کمتری روی مغز بجای خواهد گذاشت. علی‌رغم اینکه هنوز به‌طور کامل مشخص نشده است که عمل خنک کردن چطور به محافظت از مغز کمک میکند، آزمایش‌های بسیاری نشان دادهاند که کاهش دما در بافت مغز از عملکرد مغز در مقابل آسیب‌های ایشکمیک محافظت می‌کند. همچنین این کار سبب کاهش التهاب و تثبیت فشار داخلی مغز می‌شود[1-3]. همچنین، در اکثر بررسی‌های بیمارستانی که روی گروه‌های کوچک که از TBI رنج میبردند، انجام‌شده است، نتایج این حقیقت که خنک کردن مغز آثار خوبی هم در کوتاهمدت و هم در بلندمدت دارد را تأیید میکند[4-7]. اخیراً یتینگ و همکاران[8] در تحقیق خود گزارش کردند که با خنک کاری مغز از طریق صورت می‌توان به بهبود عملکرد عصبی کمک کرد. آن‌ها در نتایج خود نشان دادند که با استفاده از روش خنک کاری مغز از طریق صورت می‌توان از مغز در مقابل آسیب ایشکمیک محافظت کرد. همچنین نشان دادند که مشکلات مغزی ناشی از آن قابل‌درمان است.
ملاحظات انتقال حرارت مغز در حیات کسانی که در آب‌های سرد غرق میشوند، نیز مؤثر است. به‌طوری‌که در اثر این پدیده بازگشت به زندگی افرادی که در آب‌های سرد غرق‌شده‌اند، حتی تا پس از 66 دقیقه نیز گزارش‌شده است. این مسئله عموماً به خاطر قطع فعالیت متابولیکی مغز و اثرات محافظتی این سردشدگی است. موارد ذکرشده لزوم و اهمیت بررسی انتقال حرارت از مغز را با سیال اطراف نمایان می‌سازند.
اساساً انتقال حرارت در مغز در قالب تبادل حرارت خارجی (انتقال حرارت از سر)، تبادل حرارت داخل و تولید حرارت متابولیکی است. این اثرات با شرایط مرزی، سیرکولاسیون خون، نرخ متابولیسم مغز و ابعاد سر تغییر می‌کنند. بررسی تأثیر عوامل مختلف در پدیده انتقال حرارت از مغز با دشواری روبروست. بخصوص که امکان انجام آزمایش‌های تجربی در این زمینه به دلیل خطرات موجود و محدودیت‌های ابزاری ممکن نیست. لذا این بررسی‌ها نیازمند یک مدل مطمئن با خصوصیات فیزیکی و شرایط محیطی واقعی می‌باشند.
مطالعه و بررسی عکس‌العمل خنک شدن سر در مقابل مکانیسم‌های مختلف خنک کاری، می‌تواند ابزاری در جهت طراحی و ساخت تجهیزات قابل‌حمل جهت خنک کاری‌های اورژانس در وسایل نقلیه پزشکی باشد که با آنها دمای مغز در 30 دقیقه از Cº37 به Cº34 رسیده و لذا متابولیسم آن تا 30% کاهش مییابد. این مطالعات در طراحی سیستم‌های تهویه مطبوع و ایجاد محیط‌های ارگونومیک جهت راحتی افراد نیز می‌تواند موردتوجه قرار گیرد. در یک سری مدل‌سازی‌های کامپیوتری انجام‌شده[9-11] نشان داده است که دمای مغز انسان در نقاط مرکزی و داخلی بسیار متفاوت‌اند از نقاطی که نزدیکی سطح قرار دارند. گرادیان دمای بسیار بزرگی در نزدیکی سطح مغز اتفاق می‌افتد که به‌صورت آزمایشگاهی با افزایش فاصله از سر کاهش مییابد[12,13].
هدف کلی رسیدن به دمای میانگین 33 در مغز در مدت‌زمان 30 دقیقه است[14]. البته باید خاطرنشان کرد که خنک کردن مغز تا دماهای پایین‌تر سبب افزایش ریسک ابتلا به لرزشهای غیرقابل‌کنترل و کاردیاک ارست میشود.
یکی از سؤالهای مهم برای انتخاب روش مناسب برای خنک کردن مغز این است که بفهمیم هر یک از این روشها چطور دمای مغز را کاهش میدهند. ازآنجاکه اندازهگیری نتایج حاصل از خنک کردن مغز در بافت زنده فراتر از فنّاوری حاضر است، ارائه و بهبود مدلهایی که به‌طور دقیق تغییرات دما و همچنین محدودیتها را نشان میدهد، میتواند موفقیت بزرگی باشد.
مسئله مهم دیگر تبادل گرمایی بین پوست سر و محیط اطراف است که به کمک ضریب انتقال حرارت توصیف می‌شود. برای رسیدن هدف که خنک کردن مغز در نقاط مرکزی است، نیاز به استفاده از دستگاهی است که ضریب انتقال حرارت بزرگی ایجاد کند. در حالت ایدئال، دستگاهی با این مشخصات قادر خواهد بود دمای پوست سر را همدما با دمای دستگاه ثابت نگه دارد.
عموماً گزارش‌های انتقال حرارت از مغز تاکنون به دو صورت بوده است. یک دسته از این مطالعات شبیه‌سازی را تنها از جنبه انتقال حرارت در داخل بافت‌ها مدنظر قرار داده و در بهترین حالت انتقال حرارت جابجایی را با ضریب انتقال حرارت جابجایی در مدل خود بکار گرفته‌اند[11,15-17]. دسته دیگر بدون مدل نمودن انتقال حرارت درون بافت، تنها به بررسی الگوی جریان خارج از بدن (به‌صورت تجربی) پرداخته‌اند.
همچنین مدل‌سازی از توزیع دما در سر یک انسان بالغ تحت سرما درمانی با گذاشتن یخ روی سر توسط دنیس و همکارانش[16] صورت گرفته است. گزارش زو و همکارانش[17] نیز شامل مدل‌سازی ریاضی سرد شدن مغز با شرایط مرزی دما ثابت است. سوکستانسکی و همکارش[12] با استفاده از روش تحلیلی اثر عوامل مختلف را بر دمای مغز بررسی کرده و دبی و دمای جریان خون ورودی به بافت را تنها عامل مؤثر بر دمای مغز دانسته‌اند. این مدل‌سازی‌ها با فرض ثابت بودن دمای سطح پوست همراه بوده و در آن‌ها هوای اطراف و جنبه انتقال حرارت جابجایی در سال اطراف سر در نظر گرفته نشده است.
از طرف دیگر، از جنبه خارجی کلارک و همکارانش[18] مطالعه‌ای برای تعیین جابجایی آزاد در اطراف سر را انجام داده و منتشر کرده‌اند که در این تحقیق تأثیر حالت‌های مختلف بدن (خوابیده و ایستاده) بر الگوی جریان هوای اطراف سر به‌صورت تجربی مطالعه شده و ضخامت تقریبی لایه‌مرزی حرارتی و میزان انتقال حرارت در نقاط مختلف سر به کمک سیستم نوری شلیرن و کالریمتر سطحی در آن سالها اندازه‌گیری شده است.
بسیاری از کارهای انجام‌شده در این زمینه اثرات مثبتی برای محافظت از مغز داشته‌اند و توانسته دما را تا 7 درجه سانتی‌گراد در مدت‌زمان 1 ساعت کاهش بدهد، بااین‌حال متدهایی که به کاهش دمای بیشتر کمک می‌کنند تهاجمی هستند که منجر به عوارض بعدی روی بیمار میشود. لازم به ذکر است، در حالت کلی دو روش برای اعمال خنک کاری به‌صورت غیرتهاجمی وجود دارد: خنک کردن سر به کمک دستگاه‌های خنک‌کن و خنک کردن کل بدن.
سرد کردن تمام بدن یک نوزاد تازه متولدشده در ۶ ساعت نخست تولد می‌تواند از آسیب‌های مغزی ناشی از فقدان اکسیژن در جریان زایمان‌های دشوار جلوگیری کند و یا از شدت آن به میزان قابل‌توجهی بکاهد. به گزارش فرانس پرس هزاران کودک سالانه در سطح دنیا متولد شوند که به دلیل برخی مشکلات در بدو تولد مانند نرسیدن اکسیژن به آن‌ها و یا نرسیدن خون به مغزشان در معرض خطر مرگ یا معلولیت قرار می‌گیرند. خنک کردن بدن به‌اندازه چند درجه یعنی اعمال نوعی هایپوترمی خفیف نیاز مغز به اکسیژن را کاهش داده و دیگر پروسه‌هایی را که می‌توانند به آسیب مغزی دچار شوند، کند می‌کند. این شیوه درمان به افراد بالغ نیز در بهبودی پس از تجربه ایست قلبی کمک می‌کند.
در قالب تکنیک هایپوترمی یا همان خنک کردن مغز، نوزاد درون یک پتوی خاص حاوی آب سرد قرار داده می‌شود. این پتو دمای بدن نوزاد را برای مدت ٣ روز تا سطح ٣/٩٢ درجه فارنهایت (۵/٣٣ درجه سانتی‌گراد) پایین آورده و سپس به‌تدریج بدن را دوباره گرم کرده و درجه حرارت را به وضعیت نرمال حدود ۶/٩٨ درجه فارنهایت برمی‌گرداند. این نوزادان ١٨ تا ٢٢ ماه بعد مورد معاینه قرار گرفتند که نتایج یافته‌ها نشان داد مرگ یا معلولیت‌های قابل‌توجه همچون فلج مغزی تنها در ۴۴ درصد نوزادانی که بدنشان خنک شده بود، رخ داد رقمی که در نوزادان تحت درمان‌های معمول به ۶۴ رسید و هیچ‌گونه عوارض جانبی همچون مشکلات در ریتم قلب درنتیجه این شیوه درمان رخ نداد. طبق این یافته‌ها، خنک کردن مغز نوزادان به میزان ٢ تا ۵ درجه سانتی‌گراد می‌تواند احتمال معلولیت و مرگ آن‌ها در اثر کمبود اکسیژن درنتیجه کنده شدن جفت از دیواره رحم پیش از تولد و فشردگی بند ناف را به میزان قابل‌توجهی کاهش دهد.
آزوپاردی و همکاران[19] بررسی روی گروهی از بچهها در سن 6 و 7 سالگی که به‌منظور تعیین اینکه آیا خنک کردن مغز بعد از خفگی حین زایمان یا پس از زایمان در بلندمدت اثری دارد یا خیر، انجام دادند. نتایج اولیه آنها نشانگر این بود که اثرات خوبی در افراد با IQ بالاتر از 85 دیده میشد.
ژو و همکاران[20] اثربخشی و امنیت خنک کردن ملایم سر را در انسفالوپاتی هیپوکسیک-ایشکمیک در نوزادان تازه متولدشده موردبررسی قراردادند. در تحقیق آنها نوزادان مبتلابه HIE به‌صورت تصادفی انتخاب‌شده بودند.عمل خنک کردن از 6 ساعت بعد از تولد، درحالی‌که دما در قسمت حلق و بینی حدود Cº 34 و در قسمت تحتانی حدود Cº 4.5 بود، شروع شد و 72 ساعت طول کشید. متأسفانه نتایج اولیه منجر به مرگ و ناتوانیهای شدید شده بود. ویلرم و همکارانش[15] با مدل‌سازی سرد کردن مغز نوزاد به این نتیجه رسیدند که با قرار دادن سر در محیط با دمای پایین (10 درجه سانتی‌گراد) تنها مناطق سطحی مغز تا حدود Cº33-34 سرد می‌شود و تغییر دمای محسوسی در مناطق عمقی آن به وجود نخواهد آمد.
دنیس و همکاران[16] هندسه واقعی سر انسان را در نظر گرفتند و خنک کردن سر و گردن انسان را با روش المان محدود موردبررسی قراردادند. آنها در کار خود همزمان علاوه بر استفاده از یک کلاهک خنک‌کن، پکهایی از یخ روی سر و گردن قراردادند. بر اساس نتایجشان، وسیلهی دیگری نیز برای خنک کاری موردنیاز است که دمای قسمتهای مرتبط دیگر نیز کاهش یابد و درنتیجه به هدف موردنظر که در قبل ذکرشده بود، برسند. مسئله را در چهار حالت مختلف که موقعیت مکانی خنک کاری متفاوت بوده بررسی کرده‌اند، که متأسفانه به دمای 33 درجه سانتی‌گراد در مدت 30 دقیقه نرسیده‌اند.
گلوکمن و همکاران[21] از یک کلاه خنک‌کن روی سر استفاده کردند و دمای قسمت تحتانی بدن را نیز در 34-35 ثابت نگه داشتند. نتایج آنها نشان می‌دهد بااینکه این کار اثر قابل قبولی روی نوزادانی که موردبررسی قرارگرفته بودند، نداشته است. اما در کل به زنده ماندن بیماران بدون اثرات شدید عصبی کمک میکند.
اسپوزیتو و همکاران[22] در تحقیق خود، محدودیتها و اثرات جانبی روشهای کنونی خنککاری مغز را بررسی کردهاند. همچنین در مورد مزایا و معایب تزریق مایع خنک در رگهای خونی بحث کرده‌اند. همچنین پلی و همکاران[23] ارتباط بین دمای مغز و خنک کردن سطح سر و گردن را موردتحقیق قراردادند و در کار دیگر، ناکامورا و همکاران[24] تأثیر خنک کاری سر و گردن را بر دمای کلی بدن بررسی کردهاند.
ازآنجاکه در هیچ‌یک از بررسیهای انجام‌شده به دمای ۳۳ درجه در مدت‌زمان ۳۰ دقیقه که مطلوب پزشکان است، نرسیده‌اند برای اولین بار با استفاده از روش انتقال حرارت معکوس شار حرارتی و شرایط مرزی مناسب مدنظر است. در این روش با معلوم بودن جواب هدف که کاهش دما تا ۳۳ درجه و زمان ۳۰ دقیقه است، بهترین شرایط برای رسیدن به آن محاسبه می‌شوند. همچنین معادلات موردنظر معادلات انتقال حرارت در بافت زنده پنز که غیر فوریه‌ای بوده می‌باشند. هندسه مغز به‌صورت یک نیمکره در نظر گرفته‌شده است. مسئله با استفاده از روش مختصات عمومی و در حالت متقارن محوری حل‌شده است. علت استفاده از این روش این است که قادر به اعمال روی هر هندسه پیچیده دیگر خواهد بود که در کارهای آینده قطعاً موردنیاز خواهد بود. در این روش، صفحه فیزیکی نامنظم مسئله به صفحه محاسباتی مستطیل شکل تبدیل می‌شود.
فصل دوم: بررسی روش‌های بهینه‌سازی توابع
در این فصل به معرفی و بررسی روش‌هایی که برای بهینه‌سازی توابع استفاده می‌شوند، می‌پردازیم. ابتدا به تعریف مسئله بهینه‌سازی پرداخته و در ادامه مفاهیم مربوط به روند انجام فرایند بهینه‌سازی در یک مسئله معرفی می‌شوند. انواع روش‌های مستقیم و غیرمستقیم بهینه‌سازی معرفی می‌شوند. ازآنجاکه در این پایان‌نامه از روش غیرمستقیم برای بهینه‌سازی استفاده کرده‌ایم، بنابراین بیشتر به این روش‌ها پرداخته‌ایم. در تمامی این روش‌ها محاسبه گرادیان تابع الزامی است، بنابراین بررسی خواص و نحوه محاسبه آن آورده شده است. در ادامه شرح مختصری از انواع روش‌های غیرمستقیم به همراه الگوریتم محاسباتی آن‌ها آورده شده است.
2-1 مسائل بهینه‌سازییک مسئله بهینه‌سازی می‌تواند به‌صورت زیر بیان شود:
تعیین بردار به‌گونه‌ای که تابع تحت شرایط زیر مینیمم شود.
(2-1)
که در آن یک بردار n بعدی به نام بردار طراحی، تابع هدف و و به ترتیب قیدهای برابری و نابرابری نامیده می‌شوند. در حالت کلی تعداد متغیرها و تعداد قیود یا رابطه‌ای باهم ندارند. مسئله فوق یک مسئله بهینه‌سازی مقید نامیده می‌شود. در مسائلی که قیودی وجود ندارند با یک مسئله بهینه‌سازی نامقید روبرو هستیم.
نقطه را مینیمم یا نقطه سکون تابع هدف مینامیم اگر داشته باشیم:
(2-2)
شرط بالا یک شرط لازم است درصورتی‌که ماتریس هسین معین مثبت باشد آنگاه حتماً نقطه مینیمم نسبی خواهد بود. یعنی اگر داشته باشیم:
(2-3)
البته شرط بالا در صورتی صادق است که تابع مشتق‌پذیر باشد.
2-2 دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازیروش‌های حل مسائل مینیمم سازی به دودسته روش‌های جستجوی مستقیم و روش‌های کاهشی تقسیم‌بندی می‌شوند.
برای استفاده از روش‌های جستجوی مستقیم در محاسبه نقطه مینیمم، تنها به مقدار تابع هدف نیاز است و نیازی به مشتقات جزئی تابع نیست. بنابراین اغلب، روش‌های غیرگرادیانی یا روش‌های مرتبه صفر نامیده می‌شوند زیرا از مشتقات مرتبه صفر تابع استفاده می‌کنند. این روش‌ها بیشتر برای مسائلی کاربرد دارند که تعداد متغیرها کم و یا محاسبه مشتقات تابع مشکل می‌باشند و به‌طورکلی کارایی کمتری نسبت به روش‌های کاهشی دارند.
روش‌های کاهشی علاوه بر مقدار تابع به مشتقات اول و در برخی موارد به مشتقات مرتبه دوم تابع هدف نیز نیاز دارند. ازآنجاکه در روش‌های کاهشی، اطلاعات بیشتری از تابع هدفی که (از طریق مشتقات آن) مینیمم می‌شود، مورداستفاده قرار می‌گیرد، این روش‌ها کارایی بیشتری نسبت به روش‌های جستجوی مستقیم دارند.
روش‌های کاهشی همچنین روش‌های گرادیانی نیز نامیده می‌شوند. دراین‌بین روش‌هایی که فقط به مشتق اول تابع هدف نیاز دارند، روش‌های مرتبه اول و آن‌هایی که به مشتق اول و دوم هر دو نیاز دارند، روش‌های مرتبه دوم نامیده می‌شوند. در جدول(2-1) روش‌هایی از هر دودسته آمده است.
جدول2-1- دسته‌بندی روش‌های بهینه‌سازی
روش‌های کاهشی روش‌های جستجوی مستقیم
بیشترین کاهش
گرادیان مزدوج
روش نیوتن
روش لونبرگ- مارکورات
میزان متغیر روش جستجوی تصادفی
جستجوی شبکه
روش تک متغیر
جستجوی الگو
2-3 راه‌حل کلیتمام روش‌های مینیمم سازی نامقید اساساً تکراری هستند و ازاین‌رو از یک حدس اولیه شروع می‌کنند و به شکل ترتیبی به سمت نقطه مینیمم پیش می‌روند. طرح کلی این روش‌ها در شکل2-1 نشان داده‌شده است.
باید توجه شود تمام روش‌های مینیمم سازی نامقید:
1. نیاز به نقطه اولیه برای شروع تکرار دارند.
2. با یکدیگر تنها در نحوه تولید نقطه بعدی از تفاوت دارند.
-76200-5219700با نقطه اولیه شروع کنید
شرط همگرایی برقرار است؟
خیر
قرار دهید
قرار دهید
را بیابید
نقطه جدید را تولید کنید
را بیابید
بله
قرار دهید و توقف کنید
00با نقطه اولیه شروع کنید
شرط همگرایی برقرار است؟
خیر
قرار دهید
قرار دهید
را بیابید
نقطه جدید را تولید کنید
را بیابید
بله
قرار دهید و توقف کنید

شکل 2-1- نمودار روند بهینه‌سازی تابع هدف
2-4 نرخ هم‌گرائیروش‌های مختلف بهینه‌سازی، نرخ همگرایی مختلف دارند. به‌طورکلی یک روش، همگرایی از مرتبه دارد اگر داشته باشیم:
(2-4)
که و نقاط محاسبه‌شده در پایان تکرارهای و هستند. نقطه بهینه و نشان‌دهنده طول یا نرم بردار است که از رابطه زیر به دست میآید:
(2-5)
اگر و باشد، روش همگرای خطی (متناظر باهمگرایی آهسته) و اگر باشد، روش همگرای مرتبه دوم (متناظر باهمگرایی سریع) نامیده می‌شود. یک روش بهینه‌سازی، همگرای فوق خطی است اگر:
(2-6)
تعریف دیگری برای روش همگرایی مرتبه دوم وجود دارد: اگر یک روش مینیمم سازی با استفاده از روند دقیق ریاضی بتواند نقطه مینیمم یک تابع درجه دوم متغیره را در تکرار پیدا کند. روش همگرای مرتبه دوم نامیده می‌شود.
2-5 گرادیان تابع
گرادیان تابع، یک بردار n مؤلفه ایست که با رابطه زیر داده می‌شود:
(2-7)
اگر از یک نقطه در فضای n بعدی در راستای گرادیان حرکت کنیم، مقدار تابع با سریع‌ترین نرخ افزایش می‌یابد. بنابراین جهت گرادیان، جهت بیشترین افزایش نیز نامیده می‌شود.
4768851778003′
1
2
1′
2′
3
4
4′
X
Y
003′
1
2
1′
2′
3
4
4′
X
Y

شکل 2-2- جهت‌های سریع‌ترین افزایش
اما جهت بیشترین افزایش یک خاصیت محلی است و نه سراسری. این مطلب در شکل2-2 نشان داده‌شده است. در این شکل، بردار گرادیان محاسبه‌شده در نقاط 1، 2 ، 3، 4 به ترتیب در جهت‌های ٰ11 ، ٰ22 ، ٰ33، ٰ44 قرار دارد. بنابراین در نقطه 1 مقدار تابع در جهت ٰ11 با سریع‌ترین نرخ افزایش می‌یابد و به همین ترتیب اگر به تعداد بی‌نهایت مسیر کوچک در جهت‌های سریع‌ترین افزایش حرکت کنیم، مسیر حرکت یک منحنی شبیه به منحنی 4-3-2-1 خواهد بود.
ازآنجاکه بردار گرادیان جهت بیشترین افزایش مقدار تابع را نشان می‌دهد، منفی بردار گرادیان جهت سریع‌ترین کاهش را نشان می‌دهد. بنابراین انتظار داریم روش‌هایی که از بردار گرادیان برای بهینه‌سازی استفاده می‌کنند نسبت به روش‌های دیگر سریع‌تر به نقطه مینیمم برسند. بنابراین دو قضیه زیر را بدون اثبات می‌آوریم.
1.بردار گرادیان جهت سریع‌ترین افزایش را نشان می‌دهد.
2. بیشترین نرخ تغییر تابع در هر نقطه ، برابر اندازه بردار گرادیان در آن نقطه است.
2-5-1 محاسبه گرادیانمحاسبه گرادیان نیاز به محاسبه مشتقات جزئی دارد. سه حالت وجود دارد که محاسبه گرادیان را مشکل می‌کند:
1. تابع در تمامی نقاط مشتق‌پذیر است، اما محاسبه مؤلفه‌های بردار گرادیان غیرعملی است.
2. رابطه‌ای برای مشتقات جزئی می‌توان به دست آورد، اما محاسبه آن نیازمند زمان محاسباتی زیادی است.
3. گرادیان تابع در تمامی نقاط تعریف‌نشده باشد.
در مورد اول می‌توان از فرمول تفاضل محدود پیشرو برای تخمین مشتق جزئی استفاده کرد:
(2-8)
برای یافتن نتیجه بهتر می‌توان از فرمول اختلاف مرکزی محدود زیر استفاده کرد:
(2-9)
در روابط بالا یک کمیت اسکالر کوچک و برداری n بعدی است که مؤلفه ام آن یک، و مابقی صفر هستند. در محاسبات، مقدار را می‌بایست با دقت انتخاب نمود، زیرا کوچک بودن بیش‌ازحد آن ممکن است اختلاف میان مقادیر محاسبه‌شده تابع در و را بسیار کوچک کرده، و موجب افزایش خطای گرد کردن شود و نتایج را با خطا همراه سازد. به همین ترتیب بزرگ بودن بیش‌ازاندازه نیز خطای برشی را در محاسبه گرادیان ایجاد می‌کند. در حالت دوم استفاده از فرمول‌های تفاضل محدود پیشنهاد میشود. برای حالت سوم با توجه به این نکته که گرادیان در تمام نقاط تعریف‌شده نیست، نمی‌توان از فرمول‌های تفاضل محدود استفاده کرد. بنابراین در این موارد مینیمم کردن فقط با استفاده از روش‌های مستقیم امکان‌پذیر است.
2-5-2 تعیین طول گام بهینه در جهت کاهش تابعدر بیشتر روش‌های بهینه‌سازی، نیاز است که نقطه مینیمم در یک راستای مشخص را تعیین نمود. بنابراین لازم است نرخ تغییر تابع هدف از یک نقطه مانند ، درراستای مشخصی مانند ، نسبت به پارامتری چون محاسبه شود. باید در نظر داشت که موقعیت هر نقطه در این راستا را می‌توان با توجه به نقطه ، به‌صورت نشان داد. بنابراین نرخ تغییر تابع نسبت به این متغیر در راستای را می‌توان به‌صورت زیر نشان داد:
(2-10)


که در رابطه فوق مؤلفه -ام است. از طرفی داریم:
(2-11)
که و مؤلفه‌های -ام و هستند. بنابراین نرخ تغییر تابع در راستای برابر است با:
(2-12)
درصورتی‌که تابع را در راستای مینیمم کند، در نقطه می‌توان نوشت:
(2-13)
بنابراین مینیمم تابع، در راستای ، در نقطه می‌باشد.
2-6 معیار هم‌گرائیمعیارهای زیر می‌توانند برای بررسی هم‌گرائی در محاسبات تکراری به کار روند:
درصورتی‌که تغییرات تابع در دو تکرار متوالی از مقدار معینی کوچک‌تر شود:
(2-14)
زمانی که مشتقات جزئی (گرادیان مؤلفه‌ها) به‌اندازه کافی کوچک شود:
(2-15)
زمانی که تغییرات بردار موردنظر در دو تکرار متوالی کوچک شود:
(2-16)
که ، و مقادیر معین کوچکی در نظر گرفته می‌شوند.
2-7 روش کاهش سریعاستفاده از قرینه بردار گرادیان به‌عنوان جهت مینیمم سازی اولین بار توسط کوشی انجام گرفت. در این روش محاسبات از نقطه‌ای مانند شروع‌شده و طی فرآیندهای تکراری با حرکت در جهت سریع‌ترین نرخ کاهش، نهایتاً به نقطه مینیمم می‌رسد. مراحل مختلف این روش را می‌توان به‌صورت زیر در نظر گرفت:
1. شروع محاسبات از یک نقطه دلخواه به‌عنوان اولین تکرار
2. یافتن جهت به‌صورت
3. محاسبه طول گام بهینه در جهت و قرار دادن و یا .
4.بررسی بهینه بودن نقطه و پایان محاسبات در صورت مینیمم بودن این نقطه، در غیر این صورت قرار دادن و ادامه محاسبات از مرحله 2.
2-8 مقدمه ای بر روش انتقال حرارت معکوس2-8-1 مقدمه
با ظهور مواد مخلوط مدرن و وابستگی شدید خواص ترموفیزیکی آن‌ها به دما و مکان، روش‌های معمولی برای محاسبه آن‌ها راضی‌کننده نیستند. همچنین انتظارات عملیاتی صنعتی مدرن هر چه بیشتر و بیشتر پیچیده شده‌اند و یک محاسبه دقیق در محل از خواص ترموفیزیکی تحت شرایط واقعی عملیات ضرورت پیدا کرد. شیوه انتقال حرارت معکوس(IHTP) می‌تواند جواب‌های رضایت بخشی برای این‌گونه حالات و مسائل به دست دهد.
سود عمده IHTP این است که شرایط آزمایش را تا حد امکان به شرایط واقعی نزدیک می‌سازد.
کاربرد عمده تکنیک IHTP شامل محدوده‌های خاص زیر می‌باشند (در میان سایرین)
محاسبه خواص ترموفیزیکی مواد به‌عنوان‌مثال؛ خواص ماده سپر حرارتی در طی ورودش به اتمسفر زمین و برآورد وابستگی دمایی ضریب هدایت قالب سرد در طی باز پخت استیل
برآورد خواص تشعشعی بالک و شرایط مرزی در جذب، نشر و بازپخش مواد نیمه‌رسانا
کنترل حرکت سطح مشترک جامد - مایع در طی جامدسازی
برآورد شرایط ورود و شار حرارتی مرزی در جابجایی اجباری درون کانال‌ها
برآورد همرفت سطح مشترک بین سطوح متناوباً در تماس
نظارت خواص تشعشعی سطوح بازتاب‌کننده گرم‌کننده‌ها و پنلهای برودتی
برآورد وابستگی دمایی ناشناخته ضریب هدایت سطوح مشترک بین ذوب و انجماد فلزات در طی ریخته‌گری
برآورد توابع واکنشی
کنترل و بهینه‌سازی عملیات پروراندن لاستیک
برآورد شکل مرزی اجسام
برآورد این‌گونه خواص از طریق تکنیک‌های رایج کاری به‌شدت دشوار یا حتی غیرممکن است. اگرچه با اعمال آنالیز انتقال حرارت معکوس، این‌گونه مسائل نه‌تنها می‌توانند حل شوند، بلکه ارزش اطلاعات مطالعات افزوده‌شده و کارهای تجربی سرعت می‌گیرند.
2-8-2 مشکلات حل مسائل انتقال حرارت معکوسبرای تشریح مشکلات اصلی حل مسائل انتقال حرارت معکوس، جامد نیمه بینهایت () در دمای اولیه صفر در نظر می‌گیریم. برای زمان‌های سطح مرزی در تحت یک شار گرمایی متناوب به فرم قرارگرفته است. جایی که و ω به ترتیب دامنه و فرکانس نوسان شار گرمایی هستند و t متغیر زمان است. بعد از گذشت حالت متغیر، توزیع دمایی شبه - ثابت در جامد با توزیع دمایی زیر به دست می‌آید:
(2-17)
جایی که پخشندگی حرارتی و k ضریب رسانایی حرارتی جامد هستند.
معادله بالا نشان می‌دهد که پاسخ دمایی دارای یک تأخیر فاز نسبت به شار اعمالی سطحی می‌باشد و این تأخیر برای مکان‌های عمیق‌تر درون جسم واضح‌تر می‌باشد. درصورتی‌که این شار بتواند برآورد شود، این تأخیر دمایی نیاز به برداشت اطلاعات پس از اعمال شار حرارتی را آشکار می‌کند.
دامنه نوسان دما در هر مکانی، ، با قرار دادن در معادله به دست می‌آید. لذا:
(2-18)
این معادله نشان می‌دهد که به‌صورت توانی با افزایش عمق و با افزایش فرکانس تغییر می‌کند.
اگر دامنه شار حرارتی سطحی (q) به‌وسیله بکار بردن اندازه‌گیری مستقیم دما در نقاط داخلی اندازه‌گیری گردد آنگاه هرگونه خطای اندازه‌گیری با عمق x و فرکانس ω به‌صورت توانی بزرگنمایی می‌شود، که به‌صورت معادله زیر نشان داده می‌شود:
(2-19)
برای تخمین شار حرارتی مرزی جانمایی یک حس‌گر در عمق x از سطح، جایی که دامنه نوسانات دما بسیار بزرگ‌تر از خطاهای اندازه‌گیری‌اند، ضروری می‌باشد. در غیر اینصوررت تشخیص اینکه نوسانات دمایی در اثر شار حرارتی یا خطای اندازه‌گیری بوده غیرممکن خواهد بود، که منجر به عدم یگانگی جواب معادله خواهد شد.
ازآنجاکه خطاها در دقت روش‌های معکوس بسیار مؤثرند، بک ([26-28]) توصیفات این‌گونه خطاها را به‌صورت 8 نکته بیان نموده است.
خطاها به مقدار اصلی اضافه می‌شوند که مقدار اندازه‌گیری شده، مقدار واقعی و یک خطای رندوم می‌باشد.
خطای دمایی دارای میانگین صفر می‌باشد. یعنی . جایی که یک عملگر اندازه است، آنگاه گفته می‌شود که خطا بدون پیش مقدار است.
خطا دارای انحراف ثابت است، که عبارت است از
(2-20)
که به معنای استقلال انحراف از اندازه‌گیری است.
خطاهای مرتبط با اندازه‌گیری‌های مختلف ناهمبسته هستند. دو خطای اندازه‌گیری و (که ) ناهمبسته هستند اگر کوواریانس و صفر باشد. یعنی
(2-21)
در این حالت خطاهای و هیچ تأثیری یا رابطه‌ای بر هم ندارند.
خطاهای اندازه‌گیری دارای یک توزیع نرمال (گوسی) است. با توجه به فرضیات 2، 3 و 4 بالا توزیع احتمال به‌وسیله معادله زیر داده می‌شود
(2-22)
پارامترهای معرفی کننده خطا مثل معلوم هستند.
تنها متغیری که دارای خطاهای رندوم می‌باشد دمای اندازه‌گیری شده است. پارامترهای اندازه‌گیری شده مکان‌های اندازه‌گیری شده، ابعاد جسم گرم شونده و تمامی کمیت‌هایی که در فرمول نویسی ظاهرشده‌اند به‌دقت مشخص هستند.
اطلاعات پیشین کمیت‌ها جهت تخمین موجود نیست (می‌تواند پارامتر یا تابع باشند) اگر این اطلاعات موجود می‌بود می‌توانست جهت بهبود تخمین مقادیر بکار رود.
در ادامه چندین تکنیک مختلف برای حل مسائل IHTP را معرفی می‌نماییم. این‌گونه تکنیک‌ها معمولاً نیازمند حل مستقیم مربوطه می‌باشد. البته ارائه روش‌هایی که مسائل معکوس را بدون ارتباط با مسائل مستقیم حل کنند بسیار دشوار است.
تکنیک‌های حل مسائل می‌توانند به‌صورت زیر طبقه‌بندی شوند:
روش‌های معادلات انتگرالی
روش‌های تبدیل انتگرال
روش‌های حل سری
روش‌های چندجمله‌ای
بزرگنمایی معادلات هدایت گرمایی
روش‌های عددی مثل تفاضل محدود، المان محدود و المان مرزی
تکنیک‌های فضایی با اعمال فیلترینگ نویز اضافی مثل روش نرم کردن
تکنیک فیلترینگ تکرارشونده [29]
تکنیک حالت پایدار
روش تابع مشخصه متوالی بک
روش لوبنرگ - مارگارت برای مینیمم کردن نرم کوچک‌ترین مربعات
روش منظم سازی تیخونوف
روش منظم سازی تکراری برآورد توابع و پارامترها
الگوریتم ژنتیک [30]
2-8-3 ارزیابی روش‌های مسائل معکوس حرارتیاگر مسائل معکوس شامل تعداد زیادی پارامتر مانند برآورد شار حرارتی گذرا در زمان‌های مختلف باشند، ممکن است نوساناتی در حل رخ دهد. یک روش برای کاهش این ناپایداری‌ها استفاده از منظم سازی تیخونوف می‌باشد.
2-8-4 تکنیک‌های حل مسائل انتقال حرارت معکوسهدف اصلی این بخش معرفی تکنیک‌هایی جهت حل مسائل انتقال حرارت معکوس و روابط ریاضی موردنیاز می‌باشد.
گر چه تکنیک‌های زیادی موجود هستند، اما در اینجا به ذکر 4 تکنیک قدرتمند بسنده می‌کنیم.
لونبرگ - مارکوت برای تخمین پارامترها
گرادیان مزدوج برای تخمین پارامترها
گرادیان مزدوج با مسئله اضافی برای تخمین پارامترها
گرادیان مزدوج با مسئله اضافی برای تخمین توابع
این روش‌ها معمولاً کافی، تطبیق‌پذیر، مستقیم و قدرتمند جهت غلبه بر مشکلات موجود در حل معادلات انتقال حرارت معکوس می‌باشند.
تکنیک I: این تکنیک یک روش تکراری برای حل مسائل کوچک‌ترین مربعات تخمین پارامترهاست. این روش اولین بار در سال 1966 توسط لونبرگ [31] ایجاد شد، سپس در سال 1963 مارکوارت [32] همان تکنیک را با استفاده از روشی دیگر به دست آورد. حل مسائل معکوس به این روش، نیازمند محاسبه ماتریس حساسیت J می‌باشد. ماتریس حساسیت به‌صورت زیر تعریف می‌گردد:
(2-23)
جایی که:

تعداد اندازه‌گیری I =
تعداد پارامترهای نامعلوم N =
دمای iام تخمین زده‌شده
پارامتر jام نامعلوم
این ضریب حساسیت نقش مهمی را در تکنیک‌های I تا III ایفا می‌کند و در ادامه روش‌های متفاوت حل بیان خواهد شد.
این روش برای حل معادلات خطی و غیرخطی بسیار مؤثر است. گر چه در مسائل غیرخطی با افزایش پارامترهای نامعلوم ممکن است حل ماتریس حساسیت به درازا بکشد.
تکنیک II روش گرادیان مزدوج در بهینه‌سازی را جهت تخمین پارامترها بکار می‌برد، که همانند تکنیک I نیازمند حل ماتریس حساسیت بوده که مخصوصاً در حالت غیرخطی وقتی تعداد پارامترها زیاد شوند کاری زمان‌بر است.
تکنیک‌های III و IV: روش گرادیان مزدوج در کوچک‌سازی را با مسئله اضافی بکار می‌برد[33-36]
روش III مخصوصاً برای مسائلی که جهت تخمین ضریب آزمایشی در تخمین توابع بکار برده می‌شوند مناسب است. مسئله اضافی در جهت کاهش نیاز به حل ماتریس حساسیت استفاده می‌شود.
تکنیک IV روشی برای تخمین توابع می‌باشد مخصوصاً وقتی‌که اطلاعات مقیاسی درباره فرم تابع کمیت نامعلوم در دسترس نباشد.
تکنیک‌های اول، سوم و چهارم به همراه شرط توقف مناسب جهت تکرارهایشان؛ جزء دسته تکنیک‌های خطی سازی تکراری هستند.
در ادامه به بررسی و معرفی گام‌های اولیه و الگوریتم حل این روش‌ها با استفاده از روش تمام دامنه می‌پردازیم.
2-8-5 تکنیک I2-8-5-1 شرح تکنیک
این روش برای حل مسائل غیرخطی ابداع شد گر چه می‌توان آن را در مسائل خطی بسیار ناهنجار که از طریق مرسوم قابل‌حل نمی‌باشند نیز اعمال کرد. گام‌های اصلی روش به‌صورت زیر است:
مسئله مستقیم
مسئله معکوس
پروسه تکرار
شرط توقف
حل الگوریتم
این روش یک متد کاهشی شدید می‌باشد. در حل مسئله مستقیم، هدف یافتن دمای گذرا می‌باشد. در حل مسئله غیرمستقیم، هدف یافتن پارامتر نامعلوم با استفاده از دمای گذرای اندازه‌گیری شده در نقاط مختلف می‌باشد.
ماتریس حساسیت یا ماتریس ژاکوبین به‌صورت زیر تعریف می‌شود:
(2-24)
N: تعداد کل پارامترهای نامعلوم
I: تعداد کل اندازه‌گیری
المان‌های ماتریس حساسیت ضریب حساسیت نامیده شده و با نشان داده می‌شود. برای معادلات خطی این ماتریس تابع پارامترهای مجهول نیست اما در حالت غیرخطی ماتریس دارای پارامتری وابسته به p (مجهول) می‌باشد.
ذکر این نکته ضروری است که ماتریس که شرط شناسایی نامیده می‌شود نبایستی برابر صفر باشد زیرا اگر این مقدار برابر صفر با حتی مقداری بسیار کوچک باشد، پارامتر مجهول را نمی‌توان از پروسه معادلات تکراری به دست آورد.
مسائلی که شرط شناسایی تقریباً صفر داشته باشند مسائل ناهنجار نامیده می‌شوند. مسائل انتقال حرارت معکوس عموماً از این دسته‌اند؛ مخصوصاً در نزدیکی حدس اولیه‌ای که برای پارامترهای نامعلوم بکار می‌بریم.
ضریب حساسیت ، میدان حساسیت دمای اندازه‌گیری شده با توجه به تغییرات پارامتر مجهول p می‌باشد. میزان اندک نشان‌دهنده این است که تغییرات زیاد باعث تغییرات اندکی در می‌شوند به‌آسانی قابل‌فهم است که در این‌گونه موارد تخمین کاری دشوار می‌باشد زیرا عملاً هر مقدار گستره بزرگی از ها را در برمی‌گیرد. در حقیقت وقتی ضریب حساسیت کوچک استJTJ≃0 بوده و مسئله ما ناهنجار می‌باشد. به همین علت داشتن ضرایب حساسیت غیر وابسته خطی با اندازه بزرگ مطلوب می‌باشد، تا مسئله معکوس به خطاهای اندازه‌گیری حساس نبوده و پارامترها به‌صورت دقیق تخمین زده شوند. لازم است که تغییرات ضریب حساسیت قبل از حل مسئله آزمایش شود. این‌گونه آزمایش‌ها بهترین مکان حس‌گر و زمان اندازه‌گیری در طی حل را به دست می‌دهد.
لونبرگ - مارکارت برای کاستن از این وابستگی، از دو پارامتر (عامل استهلاک) و (ماتریس قطری) استفاده کردند. هدف از اعمال ترم کاهش نوسانات و ناپایداری‌ها در طی شرایط ناهنجار؛ از طریق بزرگ کردن مؤلفه‌هایش در مقایسه با در شرایط موردنیاز، می‌باشد.
عامل استهلاک در ابتدای پروسه تکرار بزرگ در نظر گرفته می‌شود تا در ناحیه اطراف حدس اولیه بکار رود. با کمک این روش دیگر لازم نیست ماتریس در ابتدای پروسه نامساوی صفر باشد. چون در ابتدا ضریب بزرگ است. روش لونبرگ یک به سمت متد کاهشی شدید گرایش دارد، اما با ادامه پروسه تکرار و کوچک‌تر شدن ضریب در طی این پروسه، روش به سمت روش گوس گرایش پیدا می‌کند. شرط توقف پیشنهادی توسط دنیس و شنابل کوچک بودن فرم کوچک‌ترین مربعات، گرادیان تابع مجهول و همگرایی پارامترها را چک می‌کند.
الگوریتم محاسباتی لونبرگ - مارکارت را می‌توان در موارد استفاده از چندین حس‌گر ارتقا بخشید.
2-8-5-2 روش‌های محاسبه ضرایب حساسیت
روش‌های متعددی جهت محاسبه ضرایب حساسیت موجود است که در ادامه سه نمونه از آن‌ها ذکرشده است.
تحلیل مستقیم
مسائل مقدار مرزی
تقریب تفاضل محدود
روش تحلیل مستقیم: اگر مسئله مستقیم هدایت خطی بوده و حل تحلیل برای حوزه دمایی موجود باشد، ضریب حساسیت با تفاضل گیری جواب در جهت (پارامتر نامعلوم) به دست می‌آید.
اگر غیر وابسته به باشد، آنگاه مسئله معکوس جهت محاسبه خطی خواهد بود.
در مسائلی که چندین درجه بزرگی موجود باشد، ضریب حساسیت نسبت به هرکدام از پارامترها باید چندین مرتبه بزرگ‌تر باشد که این موضوع خود باعث ایجاد مشکلات و سختی‌هایی در مقایسه و شناسایی وابستگی خطی بودن شود. این سختی‌ها را می‌توان با آنالیز ابعادی ضرایب حساسیت یا با استفاده از فرمول زیر کاهش داد:
(2-25)
با توجه به اینکه ضریب حساسیت ذکرشده در بالا هم واحد با درجه حرارت است، مقایسه مرتبه بزرگی آن راحت‌تر است.
مسائل مقدار مرزی: یک مسئله مقدار مرزی می‌تواند با تفاضل گیری از مسئله مستقیم اصلی نسبت به ضرایب مجهول جهت به دست آوردن ضرایب حساسیت بکار رود. اگر مسئله هدایت مستقیم خطی باشد، ساختار مسئله حساسیت مربوطه ساده و مستقیم است. در حالت‌های پیشرفته حل ضرایب حساسیت می‌تواند بسیار زمان‌بر باشد و بایستی از روش‌های عددی مثل تفاضل محدود بهره گرفت.
تقریب تفاضل محدود: می‌توان تفاضل اول ظاهرشده در تعریف را از طریق تفاضل پیشرو یا تفاضل مرکزی حل کرد اما برای حل به این روش لازم است N مجهول اضافی در حالت اول و N2 مجهول اضافی در حالت دوم محاسبه شود که خود بسیار زمان‌بر خواهد بود.
2-8-6 تکنیک II 2-8-6-1 متد گرادیان مزدوجروش گرادیان مزدوج روش تکرار مستقیم و قدرتمندی درزمینه حل مسائل خطی و غیرخطی معکوس می‌باشد. در پروسه تکرار، در هر تکرار یک گام مناسب در جهت ترولی انتخاب می‌شود تا تابع موردنظر را کاهش دهد.
جهت نزولی از ترکیب خطی جهت منفی گرادیان در گام تکرار حاضر با جهت نزولی تکرار پیشین به دست می‌آید. این ترکیب خطی به‌گونه‌ای است که زاویه جهت نزولی و جهت منفی گرادیان کمتر از ۹۰° باشد تا مینیمم شدن تابع موردنظر حتمی گردد[34,37-39]. روش گرادیان مزدوج با شرط توقف مناسب به‌دست‌آمده از تکنیک تنظیم تکرارها، که در آن مقدار تکرارها به‌گونه‌ای انتخاب می‌شود که جواب پایدار به دست دهد، در حل مسائل معکوس بکار می‌رود.
الگوریتم روش به‌صورت گام‌های زیر است:
مسئله مستقیم
مسئله معکوس
پروسه تکرار
شرط توقف
الگوریتم محاسباتی
در ادامه به بررسی گام‌های فوق پرداخته خواهد شد.
در حل مسئله معکوس شار حرارتی مجهول را به‌صورت تابعی خطی به فرم زیر در نظر می‌گیریم:
(2-26)
که در آن تابع تست معلوم و پارامترهای مجهول می‌باشند.
بدین ترتیب تخمین تابع مجهول به تخمین پارامترهای مجهول ، تقلیل می‌یابد. این‌گونه پارامترها را می‌توان با روش تفاضل مربعات مجهولی حل کرد.
(2-27)
S: مجموع مربعات خطاها یا تابع موردنظر
p: بردار پارامترهای مجهول
: دمای تخمین زده‌شده در زمان
: دمای اندازه‌گیری شده در زمان
: تعداد کل پارامترهای مجهول
I: تعداد کل اندازه‌گیری‌ها، به‌طوری‌که
ذکر دو نکته در اینجا ضروری می‌نماید:
بردار گرادیان جهت سریع‌ترین افزایش را نشان می‌دهد، لذا قرینه بردار جهت سریع‌ترین کاهش را نشان می‌دهد. بنابراین روش‌هایی که از بردار گرادیان جهت بهینه‌سازی استفاده می‌کنند نسبت به روش‌های دیگر سریع‌تر به نقطه مینیمم می‌رسند.
بیشترین نرخ تغییر تابع f در هر نقطه ، برابر اندازه بردار گرادیان در آن نقطه است. در بیشتر روش‌های بهینه‌سازی نیاز است که نقطه مینیمم در یک راستای مشخص تعیین گردد. یعنی لازم است نرخ تغییر تابع هدف از یک نقطه مانند در راستای مشخصی مانند نسبت به پارامتری چون محاسبه شود.
لذا اگر نرخ تغییر تابع در راستای برابر باشد با
(2-28)
و درصورتی‌که تابع f را در جهت مینمم کند؛ مینمم تابع در نقطه خواهد بود زیرا
(2-29)
پروسه تکرار در روش گرادیان مزدوج جهت کمینه‌سازی نرم داده‌شده به‌صورت زیر می‌باشد
(2-30)
جایی که جستجوگر سایز گام، جهت نزول و بالانویس k نمایانگر تعداد تکرار است.
جهت نزولی به‌صورت پیوستگی جهت گرادیان و و جهت نزولی تکرار قبلی می‌باشد که فرم ریاضی آن به‌صورت زیر است:
(2-31)
تعاریف گوناگونی برای ضریب همبستگی موجود است. به‌عنوان‌مثال بسط پولاک - ریبیر (معادله 2-32) در مراجع[37,40,41] و بسط فلچر - ریوز (معادله 2-33) در مراجع[37,38,40] آمده است.
(2-32) γk=j=1N∇S(pk)j∇Spk-∇S(pk-1)jj=1N∇S(pk-1)2j k=1,2,…
وقتی‌که برای k=0 شرط مرزی γ0=0 برقرار باشد.
(2-33) γk=j=1N∇S(pk)2jj=1N∇S(pk-1)2j k=1,2,…
بسط جهت گرادیان نسبت به پارامتر مجهول p به‌صورت
(2-34)
می‌باشد. جایی که ماتریس حساسیت می‌باشد. به‌عبارت‌دیگر درایه jام جهت گرادیان را می‌توان از فرم صریح
(2-35)
به دست آورد.
هرکدام از بسط‌های ذکرشده در مراجع جهت باعث ایجاد زاویه کمتر از بین جهت نزول و جهت منفی گرادیان شده، درنتیجه تابع بهینه می‌گردد.[36]
این بسط‌ها در مسائل خطی هم‌ارز بوده اما در مسائل غیرخطی، بر طبق برخی مشاهدات، بسط پولاک - ریبیر باعث بهبود همگرایی می‌شود. باید دانست که اگر باشد، در تمامی تکرارها جهت نزول همان جهت گرادیان می‌باشد و طول گام بهینه کاهشی به دست خواهد آمد گر چه روش گام بهینه کاهشی به‌سرعت روش گرادیان مزدوج همگرا نمی‌شود. گام جستجو از کمینه ساختن تابع نسبت به به دست می‌آید.
(2-36)
با جایگذاری از معادله (2-30) در معادله بالا و همچنین خطی سازی بردار دمای با بسط سری تیلور گام جستجو به‌صورت ماتریس زیر به دست خواهد آمد:
(2-37)
پس از محاسبه ماتریس حساسیت به یکی از روش‌های گفته‌شده در قبل، جهت گرادیان ، ضریب همبستگی و گام جستجو پروسه تکرار تا رسیدن به‌شرط توقف که طبق قانون اختلاف می‌باشد ادامه پیدا می‌کند.
(2-38) : شرط توقف
(2-39) Yti-T(xmeas,ti≈σi
σ: انحراف معیار استاندارد
(2-40) Ԑ=i=1Iσi2=Iσ2
اگرچه استفاده از این فرضیه جهت تکنیک I لازم نیست؛ زیرا تکنیک اول به‌صورت اتوماتیک با کنترل پارامتر استهلاک و کاهش شدید صعود بردار پارامترها در پروسه تکرار از ناپایداری جواب‌ها جلوگیری می‌کند. استفاده از قانون اختلاف نیازمند اطلاعات اولیه از انحراف استاندارد خطای اندازه‌گیری می‌باشد. یک روش جایگزین می‌تواند استفاده از اندازه‌گیری‌های اضافی باشد.
2-8-6-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک دومبا فرض آنکه دماهای اندازه‌گیری شده در زمان‌های بوده و حدس اولیه برای بردار مجهول p باشد. ابتدا قرار داده و سپس:
گام 1: حل معادله مستقیم حرارت با استفاده از و به دست آوردن بردار دمای اندازه‌گیری
گام 2: ارائه حل اگر شرط توقف (2-38) ارضا نشده باشد.
گام 3: حل ماتریس حساسیت از معادله (2-35) به یکی از روش‌های گفته‌شده
گام 4: با دانستن Y، و جهت گرادیان از معادله (2-34) به‌دست‌آمده سپس از معادلات (2-32) یا (2-33) محاسبه می‌گردد.
گام 5: جهت نزول از معادله (2-31) محاسبه می‌آید.
گام 6: با دانستن ، Y، و گام جستجو از معادله (2-37) به دست می‌آید.
گام 7: با دانستن و و حدس جدید از معادله (2-30) به دست می‌آید.
گام 8: بجای k، 1+k را جایگزین کرده به گام 1 بازمی‌گردد.
2-8-6-3 اندازه‌گیری پیوستهتا اینجا فرض بر گسسته بودن دامنه زمانی و دماهای اندازه‌گیری شده بوده است. در حالتی که تعداد داده‌ها به‌اندازه‌ای باشد که بتوان آن‌ها را تقریباً پیوسته در نظر گرفت نیازمند برخی اصلاحات در فرم اولیه، بردار گرادیان(معادله 4-18)، گام جستجو(معادله 4-21) و تلورانس (معادله 4-24) مورداستفاده در قانون اختلاف می‌باشد.
با فرض پیوستگی اطلاعات اندازه‌گیری شده انتگرال تابع در بازه زمان 0≤t≤tf به‌صورت:
(2-41)
نوشته‌شده که تابع گرادیان معادله بالا نیز به‌صورت
(2-42)
نوشته می‌گردد. به‌عبارت‌دیگر هر جزء بردار گرادیان به فرم
(2-43)
خواهد بود. در ادامه گام جستجو نیز باید به فرم پیوسته برای دامنه زمان بازنویسی گردد.
که این مهم با بهینه‌سازی تابع برحسب در دامنه محقق می‌گردد. لذا
(2-44)
که این معادله بسیار شبیه به فرم گسسته می‌باشد.
تلورانس نیز به‌صورت نوشته می‌گردد و الگوریتم حل همچنان دست‌نخورده باقی خواهد ماند.
در مسائلی که هدف تعیین ضرایب پارامتری شده تابع مجهول باشد تکنیک III راه‌حلی جایگزین جهت پرهیز از حل چندباره ماتریس حساسیت در به دست آوردن جهت گرادیان و گام جستجو می‌باشد.
2-8-7 تکنیک III 2-8-7-1 روش گرادیان مزدوج با مسئله اضافی جهت تخمین پارامترهادر این بخش به تشریح روشی دیگر از متد گرادیان مزدوج پرداخته می‌شود که با کمک حل دو مسئله کمکی، مسئله حساسیت و مسئله اضافی، به حل گام جستجو و معادله گرادیان می‌پردازد. این روش مخصوصاً در مسائلی که هدف یافتن ضرایب توابع امتحانی بکار رفته در فرم تابع مجهول می‌باشد کاربرد دارد.
جهت راحتی مراحل بعدی آنالیز، مقادیر اندازه‌گیری شده پیوسته فرض می‌گردد.
فرم معادله تفاضل مربعات به‌صورت
(2-45)
است. مطابق قبل دمای اندازه‌گیری شده و دمای تخمین زده‌شده در نقطه در بازه زمانی می‌باشد.
گام‌های اصلی حل به شرح زیر بوده که در ادامه به شرح بیشتر هرکدام پرداخته می‌شود.
مسئله مستقیم
مسئله معکوس
مسئله حساسیت
مسئله اضافی الحاقی
معادله گرادیان
پروسه تکرار
شرط توقف
الگوریتم محاسباتی
گام‌های اول و دوم همانند سابق بوده لذا از شرح مجدد خودداری می‌گردد. در گام سوم تابع حساسیت حاصل حل مسئله حساسیت به‌صورت مشتق وابسته دما در جهت آشفتگی تابع مجهول تعریف می‌شود.
این مسئله می‌تواند با فرض اینکه دما با مقدار دچار آشفتگی شده وقتی‌که چشمه حرارتی با میزان دچار انحراف گردیده به دست آید. که انحراف از مجموع انحراف هر یک از پارامترهایش حاصل‌شده است.
(2-46)
اکنون اگر در معادله مستقیم با و با جایگزین گردد، معادله حساسیت به دست خواهد آمد.
عامل لاگرانژ جهت بهینه‌سازی تابع استفاده می‌گردد. این عامل جهت محاسبه تابع گرادیان با کمک حل مسئله الحاقی در مسئله حساسیت لازم می‌باشد. در این راستا با ضرب معادله مشتق جزئی مسئله مستقیم در ضریب لاگرانژ و انتگرال‌گیری آن در حوزه زمان و جمع معادله حاصل بافرم اولیه تابع ، جایگزین به دست می‌آید.
مشتق وابسته در جهت آشفتگی از جایگزینی ، و بجای ، و در معادله به‌دست‌آمده و صرف‌نظر کردن از ترم‌های درجه دوم حاصل می‌شود. می‌توان با حل جزءبه‌جزء طرف راست مسئله و صرف‌نظر کردن از انتگرال‌های شامل به فرم ساده‌شده معادله الحاقی دست‌یافت.
بنا بر تعریف، مشتق وابسته در جهت بردار به‌صورت
(2-47)
نوشته می‌شود. استفاده از معادله الحاقی برای آن دسته از مسائلی که حل تحلیل نداشته و نیاز به استفاده از روش‌های تفاضل محدود است، مناسب می‌باشد. با این روش، گرادیان با حل تنها یک معادله الحاقی به دست می‌آید. درحالی‌که روش دوم نیازمند حل N باره مسئله مستقیم جهت به دست آمدن ضرایب حساسیت می‌باشد.
گام جستجو که جهت بهینه‌سازی تابع در هر تکرار بکار می‌رود از خطی سازی دمای تخمین زده‌شده در فرم بهینه تابع با کمک بسط سری تیلور به دست می‌آید.
(2-48)
که حل مسئله حساسیت حاصل از قرار دادن در محاسبه معادله (2-46) می‌باشد.
باید توجه داشت که در هر گام تکرار لازم است یک مسئله حساسیت جهت محاسبه حل گردد.
شرط توقف نیز همانند تکنیک به‌صورت می‌باشد.
2-8-7-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک سومبه‌صورت خلاصه الگوریتم حل به‌صورت زیر می‌باشد. با قرار دادن ، فرضیات و مطابق تکنیک II می‌باشد.
مرحله 1: محاسبه از معادله و آنگاه حل معادله مستقیم جهت به دست آوردن
مرحله 2: بررسی شرط توقف و ارائه حل در صورت ارضاء نشدن آن
مرحله 3: حل معادله الحاقی جهت محاسبه با دانستن و
مرحله 4: با دانستن ، به دست آوردن پارامترهای بردار گرادیان
مرحله 5: با دانستن ، محاسبه و آنگاه جهت نزول
مرحله 6: با قرار دادن ، محاسبه و سپس حل مسئله حساسیت برای به دست آوردن
مرحله 7: با دانستن ، به دست آوردن گام جستجو
مرحله 8: با دانستن و، محاسبه تخمین جدید و جایگزینی k با 1+k و آنگاه بازگشت به مرحله 1
2-8-8 تکنیک IV2-8-8-1 گرادیان مزدوج با مسئله الحاقی برای تخمین توابعدر این روش هیچ اطلاعات اولیه از فرم تابع مجهول به‌جز فضای تابع موجود نیست. در اینجا تابع به‌صورت زیر تعریف می‌گردد.
(2-49)
و گام‌های حل نیز مانند تکنیک III می‌باشد.
تفاوت این روش با دو تکنیک قبل در این است که دیگر به‌صورت ساده پارامتری نوشته نمی‌شود. حل مسائل الحاقی و حساسیت در حالت کلی بسیار شبیه حالت تکنیک III می‌باشد. اما جهت محاسبه معادله گرادیان دیگر نمی‌توان مانند گذشته عمل نمود.
از مقایسه مسئله الحاقی و می‌توان معادله گرادیان را به دست آورد.
(2-50)
تابع مجهول از بهینه‌سازی به دست خواهد آمد. لذا پروسه تکرار به‌صورت
(2-51)
خواهد بود. که در آن ، جهت نزول، به‌صورت زیر می‌باشد.
(2-52)
همچنین ضریب نیز می‌تواند از هرکدام از بسط‌های پولاک - ریبیر و یا فلچر - ریوز به دست آید.
در انتها نیز از بهینه‌سازی نسبت به و پس از ساده‌سازی با اعمال بسط سری تیلور، مشتق‌گیری نسبت به و مساوی صفر قرار دادن آن، به دست می‌آید.
(2-53)
که در آن جواب مسئله حساسیت با جایگزینی می‌باشد.
ازآنجاکه معادله گرادیان در زمان نهایی همواره صفر می‌باشد لذا حدس اولیه هرگز تحت پروسه تکرار تغییر نمی‌کند. لذا تابع تخمین زده‌شده می‌تواند از جواب دقیق منحرف گردد که جهت غلبه بر این موضوع می‌توان از بازه زمانی بزرگ‌تر از بازه موردنیاز استفاده نمود. همچنین می‌توان با تکرار حل معکوس و استفاده از جواب تکرار قبل جهت حدس اولیه نیز اثر این مشکل را کاهش داد.
شرط توقف نیز مانند تکنیک پیشین می‌باشد که در موارد بدون خطا می‌تواند مقداری بسیار کوچک یا حتی صفر داشته باشد.
2-8-8-2 الگوریتم محاسباتی تکنیک چهارمبه‌صورت خلاصه الگوریتم محاسباتی این تکنیک به شرح زیر می‌باشد:
مرحله 1: حل معادله مستقیم و محاسبه بر اساس
مرحله 2: بررسی شرط توقف و ادامه حل در صورت ارضا نشدن آن
مرحله 3: با دانستن و ، حل معادله الحاقی و به دست آوردن
مرحله 4: حل با دانستن
مرحله 5: با دانستن گرادیان ، محاسبه از هرکدام از بسط‌های ذکرشده و نیز جهت نزول
مرحله 6: با قرار دادن و حل معادله حساسیت، به دست آوردن
مرحله 7: با دانستن ، به دست آوردن گام جستجو
مرحله 8: با دانستن گام جستجو و جهت نزول، محاسبه مقدار جدیدو بازگشت به مرحله 1
حل معادله مستقیم جواب‌های دقیق را به دست می‌دهد.
برای محاسبه داده‌های دارای خطا می‌توان از راه‌حل زیر استفاده نمود:
(2-54)
که در آن ω متغیر رندوم با پراکندگی نرمال که دارای هسته اصلی صفر و انحراف معیار استاندارد می‌باشد. با اطمینان 99% به‌صورت -2.576<ω<2.576 بوده که می‌تواند از زیر برنامه IMSL یا DRRNOR به دست آید [31]. این مقادیر می‌تواند بجای داده‌های آزمایشگاهی اندازه‌گیری شده جهت حل معکوس استفاده شود.
فصل سوم: مدل ریاضی
3-1 مقدمهطبیعت پیچیده انتقال حرارت در بافتهای زنده مانع مدل‌سازی ریاضی دقیقی شده است. فرضیات و ساده‌سازی‌هایی باید انجام شود. در ادامه مروری مختصر بر معادلات و توزیع دما دربافت‌های زنده خواهیم داشت.
3-2 مدل‌های هدایت گرماییاز معادله انتقال حرارت زیستی پنز [25]شروع می‌کنیم که در سال 1948 ارائه‌شده است. ویژگی این معادله ساده بودن آن و کاربردی بودنش در شرایط خاص است.مدل‌هایی که در این بخش ارائه گردیده مدل‌های ماکروسکوپیکی است که بیشتر از سایر مدل‌ها در توصیف انتقال گرما مورداستفاده قرار می‌گیرند.
3-2-1 مدل پنزمعادله پنزبر اساس فرض‌های ساده کننده‌ای طبق فاکتور زیر است:
تعادل گرمایی: انتقال حرارت بین خون و بافت در بسترهای کپیلاری و همچنین رگ‌ها انجام می‌شود. ازاین‌رو از انتقال حرارت بین خون و بافت قبل و بعد از ورود به بافت صرف‌نظرمی‌شود.
2) تزریق وریدی خون: جریان خون در مویرگ‌های کوچک، ایزوتروپیک فرض می‌شود. این فرض باعث می‌شود جهت جریان کم‌اهمیت شود.
3)آرایش رگ‌ها:
رگ‌های خونی بزرگ‌تر در همسایگی بستر مویرگ‌های کپیلاری هیچ نقشی در تبادل حرارت بین بافت و خون مویرگ ایفا نمی‌کند. بنابراین، مدل پنزهندسهی رگ‌های اطراف را در نظر نمی‌گیرد.
4) دمای خون:
فرض می‌شود که خون با همان دمای هسته بدن Ta0 به مویرگها میرسد که به‌طور مداوم با بافت‌ها که در دمای T قرار دارند، تبادل گرمایی می‌کنند. بر اساس این فرضیات معادله پنز اثر خون را به‌عنوان یک منبع حرارتی ایزوتروپیک (یا چاه گرمایی) مدل کرده است که با نرخ جریان خون و اختلاف دمای بینTa0و T متناسب است.در این مدل، خونی که مسیر خود را آغاز می‌کند، تا زمانی که به مویرگ‌هاورگه‌ای درون بافت‌ها برسد در نظر گرفته می‌شود (المان بافتی که خون در آن واردشده است را در شکل 3-1.درنظر بگیرید). المان به‌اندازه کافی بزرگ است که رگ‌ها و مویرگ‌ها را در برداشته باشد، امّا در مقایسه با ابعادی که ما موردبررسی قرار می‌دهیم کوچک است.
1311275299085
شکل3-1. المان در نظر گرفته‌شده برای به دست آوردن معادله انتقال حرارت زیستی پنز
با نوشتن معادله انرژی به‌صورت زیر داریم:
(3-1) Ein+Eg-Eout=E
در اینجا از اثر جابجایی صرف‌نظر شده و به‌جای آن ترم مربوط به تزریق وریدی خون اضافه‌شده است. ساده‌ترین راه برای بررسی این ترم این است که آن را به‌صورت ترم تولید انرژی در نظر بگیریم.
اگرنرخ انرژی اضافه‌شده توسط خون در واحد حجم بافت:q''bانرژی متابولیک تولیدشده در واحد حجم بافت:q''mبا درنظر گرفتن المان موجود در شکل 1 خون با دمای مرکزی بدن به آن وارد می‌شودTa0 و در داخل المان به دمای تعادل المان بافت که T است، می‌رسد.
(3-2) q'''b=ρbCbWbTa0-T
که در معادله فوق، Cb گرمای ویژه خون، Wb نرخ خون تزریق وریدی بر واحد حجم بافت و ρb چگالی خون هست.
با استفاده از معادله انرژی و حذف کردن ترم جابجایی و استفاده از موارد فوق داریم:
(3-3) ∇.k∇T+ρbCbWbTa0-T+q'''m=ρC∂T∂t
که Cگرمای ویژه بافت، k هدایت گرمایی و ρ چگالی بافت است.

user8323

2-2-3- مسائل پوشش19
2-2-3-1-مسأله پوشش مجموعه19
2-2-3-2- مسأله مکانیابی حداکثر پوشش21
2-2-3-3- مسائل p-center22
2-2-3-4- مسائل p-median23
2-2-4- مسائل دیگر مکانیابی24
2-2-5- مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم25
2-2-5-1- مرور ادبیات مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم26
2-2-5-2- مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم29
2-3- نظریه صف35
2-3-1- مشخصات صف36
2-3-2- قانون لیتِل38
2-3-3- صف M/M/139
2-4- مسائل بهینه سازی چندهدفه40
2-4-1- فرمول بندی مسائل بهینه سازی چندهدفه40
2-4-2- الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه سازی مسائل چندهدفه بر مبنای الگوریتم ژنتیک41
2-4-2-1- الگوریتم ژنتیک مرتب سازی نامغلوب42
2-4-2-2- الگوریتم NSGA-II محدود شده45
2-4-2-3- الگوریتم ژنتیک رتبه بندی نامغلوب46
2-4-3- الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه سازی مسائل چندهدفه بر مبنای سیستم ایمنی مصنوعی49
2-4-3-1- سیستم ایمنی مصنوعی49
2-4-3-1-1- مفاهیم ایمنی49
2-4-3-1-2- ایمنی ذاتی51
2-4-3-1-3- ایمنی اکتسابی51
2-4-3-1-4- تئوری شبکه ایمنی52
2-4-3-1-5- الگوریتم ایمنی مصنوعی53
2-4-3-1-6- سیستم ایمنی مصنوعی و مسائل بهینه سازی چندهدفه54
2-4-3-2- الگوریتم MISA56
2-4-3-3- الگوریتم VIS61
2-4-3-4- الگوریتم NNIA64
2-5- روش‌های اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌های چندهدفه67
2-5-1- فاصله نسلی68
2-5-2- درجه توازن در رسیدن همزمان به اهداف69
2-5-3- مساحت زیر خط رگرسیون70
2-5-4- تعداد جواب‌های غیرمغلوب نهائی71
2-5-5- فاصله گذاری71
2-5-6- گسترش72
2-5-7- سرعت همگرائی73
2-5-8- منطقه زیر پوشش دو مجموعه73
2-6- جمع بندی74
فصل سوم: مدل سازی مسأله و توسعه الگوریتم‌ها76
3-1- مسأله موردتحقیق77
3-2- طراحی الگوریتم‌ها81
3-2-1- تطبیق الگوریتم‌ها با مسئله موردبررسی81
3-2-1-1- ساختار حل‌ها81
3-2-1-2- معیار توقف82
3-2-2- تطبیق الگوریتم NSGA-II برای مسئله موردبررسی83
3-2-3- تطبیق الگوریتم CNSGA-II برای مسئله موردبررسی84
3-2-4- تطبیق الگوریتم NRGA برای مسئله موردبررسی85
3-2-5- تطبیق الگوریتم MISA برای مسئله موردبررسی85
3-2-6- تطبیق الگوریتم VIS برای مسئله موردبررسی85
3-2-7- تطبیق الگوریتم NNIA برای مسئله موردبررسی86
فصل چهارم: تجزیه و تحلیل داده‌ها87
4-1- تولید مسأله نمونه88
4-2- اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌ها براساس معیارها89
4-3- تجزیه و تحلیل نتایج92
فصل پنجم: نتیجه گیری و مطالعات آتی100
5-1- نتیجه گیری101
5-2- مطالعات آتی102
فهرست منابع و مراجع103
پیوست الف: محاسبه معیارهای هشت گانه برای الگوریتم های استفاده شده105
پیوست ب: نمودارهای بدست آمده از تجزیه و تحلیل نتایج113
پیوست ج: یک نمونه مسئله حل شده توسط الگوریتم NSGA-II118
پیوست د: کد برنامه نویسی الگوریتم NSGA-II در محیط MATLAB123

فهرست اشکال
شکل 2-1- مدل پایه‌ای صف36
شکل 2-2- مجموعه حل‌های غیرمغلوب41
شکل 2-3- نمایشی از نحوه عملکرد NSGA-II43
شکل2-4- الگوریتم NRGA47
شکل 2-5- سلول B، آنتی ژن، آنتی بادی، اپیتوپ، پاراتوپ و ادیوتوپ50
شکل 2-6- فلوچارت الگوریتم MISA57
شکل 2-7- یک شبکه تطبیقی برای رسیدگی به حافظه ثانویه60
شکل 2-8- فلوچارت الگوریتم VIS62
شکل 2-9- تکامل جمعیت NNIA65
شکل 2-10- نمایش حل‌های مناسب69
شکل 2-11- مساحت زیر خط رگرسیون70
شکل 2-12- بیشترین گسترش73
شکل 3-1- مکانیسم عملگر تقاطع83
شکل 4-1- نمودار همگرایی الگوریتم‌ها براساس شاخص MID90
شکل 4-2- نتیجه بدست آمده از آنالیز واریانس برای معیار تعداد جواب‌های غیرمغلوب94
شکل 4-3- نتیجه بدست آمده از آزمون توکی برای معیار تعداد جواب‌های غیرمغلوب95
شکل 4-4- نتیجه به دست آمده از آنالیز واریانس برای تعداد جواب‌های غیرمغلوب97

فهرست جداول
جدول 4-1- مشخصات هر نمونه88
جدول 4-2- گروه بندی الگوریتم‌ها براساس معیار تعداد جواب‌های غیرمغلوب96
جدول 4-3- مقایسه الگوریتم‌ها ازنظر معیارهای مختلف و در حالت‌های گوناگون98
جدول 4-4- متوسط معیارهای الگوریتم‌ها و رتبه بندی الگوریتم‌ها براساس آن99
4221207272
82867519050 1
00 1

تعریف مسأله

1-1- مقدمه
با رشد روز افزون معاملات تجاری در سطح جهان و در سال‌های اخیر، ظهور پدیده تجارت الکترونیک و بانکداری الکترونیک به عنوان بخش تفکیک ناپذیر از تجارت الکترونیک مطرح شد. بانکداری الکترونیک اوج استفاده از فناوری انفورماتیک و ارتباطات و اطلاعات برای حذف دو قید زمان و مکان از خدمات بانکی است. ضرورت یک نظام بانکی کارامد برای حضور در بازارهای داخلی و خارجی ایجاب می‌کند تا بانکداری الکترونیک نه به عنوان یک انتخاب، بلکه ضرورت مطرح شود. امروزه پایانه فروش، پایانه شعب، دستگاه‌های خودپرداز و ... نماد بانکداری الکترونیک است و یافتن مکان بهینه برای این پایانه‌ها و دستگاه‌ها می‌تواند نقش مهمی در حضور یک بانک یا مؤسسه در بازارهای داخلی و خارجی داشته باشد [1].
1-2- مکانیابی تسهیلات
فرض کنید که یک شرکت رسانه‌ای می‌خواهد که ایستگاه‌های روزنامه را در یک شهر ایجاد کند. این شرکت در حال حاضر جایگاه‌هایی را به صورت بالقوه در شهرهای همسایه اش مشخص کرده‌است و هزینه ایجاد و نگهداری یک جایگاه را می‌داند. همچنین فرض کنید که تقاضای روزنامه در هر شهر همسایه مشخص است. اگر این شرکت بخواهد تعدادی از این ایستگاه‌ها را ایجاد کند، باتوجه به مینیمم کردن کل هزینه‌های ایجاد و نگهداری این ایستگاه‌ها و همچنین متوسط مسافت سفر مشتریان، این ایستگاه‌ها در کجا باید واقع شوند؟
سؤال قبل یک مثال از مسأله مکانیابی تسهیلات بود. مکانیابی تسهیلات یعنی اینکه مجموعه‌ای از تسهیلات (منابع) را به صورت فیزیکی به گونه‌ای در یک مکان قراردهیم که مجموع هزینه برآورده کردن نیازها (مشتریان) باتوجه به محدودیت‌هایی که سر راه این مکانیابی قرار دارد، مینیمم گردد.
از سالهای 1960 به این طرف مسائل مکانیابی یک جایگاه ویژه‌ای را در حیطه تحقیق در عملیات اشغال کرده‌اند. آنها وضعیت‌های مختلفی را درنظر گرفته‌اند که می‌توان به موارد ذیل اشاره کرد: تصمیم گیری در مورد مکان کارخانجات، انبارها، ایستگاه‌های آتش نشانی و بیمارستان‌ها.
به طور اساسی، یک مسأله مکانیابی بوسیله چهار عنصر زیر توصیف می‌شود:
مجموعه‌ای از مکانها که در آن‌ها، تسهیلات ممکن است ایجاد یا باز شوند. برای هر مکان نیز بعضی اطلاعات درمورد هزینه ساخت یا باز نمودن یک تسهیل در آن مکان مشخص می‌شود.
مجموعه‌ای از نقاط تقاضا (مشتریان) که برای سرویس دهی به بعضی از تسهیلات اختصاص داده شوند. برای هر مشتری، اگر بوسیله یک تسهیل معینی خدمت‌رسانی شود، بعضی اطلاعات راجع به تقاضایش و درمورد هزینه یا سودش بدست می‌آید.
لیستی از احتیاجات که باید بوسیله تسهیلات بازشده و بوسیله تخصیص نقاط تقاضا به تسهیلات برآورده شود.
تابعی از هزینه یا سودهایی که به هر مجموعه از تسهیلات اختصاص پیدا می‌کند.
پس هدف این نوع مسائل، پیدا کردن مجموعه‌ای از تسهیلات است که باید باتوجه به بهینه کردن تابع مشخصی باز شوند.
مدل‌های مکانیابی در یک زمینه گسترده از کاربردها استفاده می‌شود. بعضی از این موارد شامل موارد ذیل است: مکانیابی انبار در زنجیره تأمین برای مینیمم کردن متوسط زمان فاصله تا بازار؛ مکانیابی سایت‌های مواد خطرناک برای مینیمم کردن درمعرض عموم قرار گرفتن؛ مکانیابی ایستگاه‌های راه آهن برای مینیمم کردن تغییرپذیری زمان بندی‌های تحویل بار؛ مکانیابی دستگاه‌های خودپرداز برای بهترین سرویس دهی به مشتریان بانک و مکانیابی ایستگاه‌های عملیات تجسس و نجات ساحلی برای مینیمم کردن ماکزیمم زمان پاسخ به حادثه‌های ناوگان دریایی. با اینکه این پنج مسأله توابع هدف مختلفی دارند، همه این مسائل در حوزه مکانیابی تسهیلات واقع می‌شوند. درواقع، مدل‌های مکان‌یابی تسهیلات می‌توانند در موارد ذیل متفاوت باشند: توابع هدفشان، معیارهای فاصله‌ای که به کار می‌برند، تعداد و اندازه تسهیلاتی که قرار است مکانیابی شوند و چندین معیار تصمیم گیری مختلف دیگر. بسته به کاربرد خاص هر مسأله، درنظرگرفتن این معیارهای مختلف در فرموله کردن مسأله، منتهی به مدل‌های مکانیابی بسیار متفاوتی خواهدشد.
1-3- بیان مسأله
هدف از اجرای این تحقیق، مکان‌یابی سیستم‌های خدمات رسانی ثابت با ظرفیت خدمت محدود می‌باشد. یعنی دستگاه‌های خدمت‌رسان به چه تعداد و در چه محل‌هایی استقرار یابند و چه مراکز تقاضایی به این دستگاههای خدمت‌رسان تخصیص یابند. در چنین سیستم‌هایی، زمانی که برای انجام سرویس موردنیاز است تصادفی است و همچنین تقاضای انجام خدمت در نقاط تصادفی از زمان می‌رسند که این تقاضا از جمعیت بزرگی از مشتریان سرچشمه می‌گیرد و معمولاً این سرویس‌دهی در نزدیک ترین تسهیل انجام می‌شود. چنین سیستم‌های خدمت‌رسانی، سیستم‌های صف را تشکیل می‌دهند. مدل‌های مختلفی برای حل این مسائل مکان‌یابی سیستم صف ارائه شده‌است.
دو ناحیه کاربردی وجود دارد که ما با این مدل‌ها روبه رو می‌شویم [4]: اولی در طراحی سیستم ارتباط کامپیوتری مانند اینترنت می‌باشد. در یک سیستم ارتباط کامپیوتری، ترمینال‌های مشتری (کاربران اینترنت) به کامپیوترهای میزبان (سرورهای پروکسی، سرورهای آینه) وصل می‌شوند که قابلیت پردازش بالا و/یا پایگاه داده‌های بزرگ میزبان دارند. زمانی که طول می‌کشد تا سرور درخواست را پردازش کند بستگی به سرعت پردازش سرور و و نوع درخواست دارد که آن هم تصادفی است. زمانی که مشتری برای پاسخ سرور منتظر می‌ماند نیز بستگی به تعداد و اندازه درخواست‌های داده‌ای است که در حال حاضر در صف هستند. به طور کلی، درخواست‌های مشتری‌ها به نزدیکترین سرور وصل می‌شود. این مکان و ظرفیت سرورها، پارامترهای طراحی بحرانی هستند. این انتخاب پارامترها تأثیری قابل توجه روی کیفیت خدمات دارد، به طوری که بوسیله یک مشتری درک می‌شود.
کاربرد دوم شامل طراحی یک سیستم دستگاه خودپرداز برای بانک است. مشتری‌ها به صورت تصادفی به یک دستگاه خودپرداز می‌رسند. اگر هنگامی‌که آن‌ها می‌رسند، دستگاه آزاد باشد، آن‌ها بلافاصله سرویس دهی می‌شوند. در غیر این صورت ، آن‌ها به صف می‌پیوندند یا آن جا را ترک می‌کنند. زمان تصادفی که یک مشتری در یک دستگاه سپری می‌کند بستگی به تعداد و نوع تراکنشی (مثلاً مانده حساب، دریافت وجه، انتقال وجه و غیره) دارد که او انجام می‌دهد. منبع قابل توجه دیگر زمان مشتری در یک دستگاه، شامل تأخیر ارسال در مدت شبکه ارتباط بانک است. از آن جا که دستگاه‌ها ثابت هستند، مشتری‌ها باید به یک مکان خودپرداز مراجعه کنند تا یک تراکنش را انجام دهند. گاهی اوقات، مردم در طول مسیر خود (مثلاً از خانه به محل کار) برای استفاده از یک دستگاه خودپرداز به آن مراجعه می‌کنند؛ گاهی اوقات هم، آن‌ها آن را طبق یک مسیر از پیش برنامه‌ریزی‌شده (مثلاً مسیر روزانه بین خانه و کار) استفاده می‌کنند. به طور کلی، آن‌ها از تسهیل با کمترین هزینه قابل‌دسترس استفاده می‌کنند. برای مثال، هنگامی‌که هزینه‌ها بوسیله مسافت سفر تعیین می‌شود، مشتری‌ها نزدیکترین تسهیل به محل کار/خانه یا نزدیکترین مسیر روزانه شان را انتخاب می‌کنند. ما فرض می‌کنیم که مشتری‌ها هیچ اطلاعی از تأخیرات دستگاه‌های خودپرداز ندارند و از این رو نزدیکترین تسهیل را برای درخواست سرویسشان انتخاب می‌کنند.
فرضیاتی که برای این مسأله درنظر گرفته می‌شود به شرح زیر می‌باشد:
گره مشتری وجود دارد که هر یک درخواستی را برای سرویس ایجادمی‌کند؛
تعداد درخواست‌ها در واحد زمان، یک جریان پوآسن مستقل را تشکیل می‌دهند؛
گره خدمت‌رسان بالقوه وجود دارد؛
مشتریان از مراکز تقاضا به سمت مکان این دستگاه‌ها حرکت می‌کنند؛
هر جایگاه خدمت فقط یک خدمت دهنده دارد؛
زمان سرویس یک دستگاه به صورت تصادفی و توزیع نمایی دارد؛
مکان دستگاه‌ها ثابت هستند؛
مشتری‌ها بوسیله نزدیکترین دستگاه خودپرداز خدمت‌رسانی می‌شوند؛
میزان زمان انتظار مشتریان در صف نباید از یک حد ازپیش تعیین شده، فراتر رود؛
ماکزیمم تعداد دستگاه‌های خدمت‌رسان از قبل تعریف شده‌است.
در مسائل مکان‌یابی تک هدفه، هدف مسأله معمولاً هزینه یا پوشش بوده‌است، امّا در مسائل چندهدفه، حداقل یک هدف دیگر وجود دارد که باتوجه به طبیعت این گونه مسائل، با هدف اوّلی درتضاد است.
براین اساس، ما مروری بر روی اهدافی که در مسائل مکان‌یابی چندهدفه توسعه یافته می‌کنیم. این اهداف می‌توانند به صورت زیر توصیف شوند:
هزینه: انواع مختلفی از هزینه وجود دارد. این انواع می‌توانند به دو قسمت ثابت و متغیر تقسیم شوند. هزینه‌های ثابت شامل هزینه شروع و نصب به همراه سرمایه گذاری می‌باشد. هزینه‌های متغیر می‌تواند هزینه حمل و نقل، عملیات، تولید، خدمات، توزیع، تدارکات، دفع پسماند، نگهداری و محیطی باشد. هزینه حمل و نقل بیشترین و هزینه نصب بعد از آن قرار دارد. مسائل مختلفی از یک معیار «هزینه کل» استفاده کرده‌اند که شامل همه هزینه‌ها تحت یک هدف می‌شود.
ریسک‌های محیطی: این هدف شامل ریسک حمل و نقل، ریسک طبیعی، دفع پسماند یا ریسک رفتاری، یا «اثرات نامطلوب» عمومی است که جایگاه بزرگی دارد. به هر حال نسبت ریسک محیطی در مسائل مکان‌یابی کمتر از دیگر هزینه‌هاست.
پوشش: تقریبا مجموعه کامل مسائل مکان‌یابی درباره پوشش مسافت، زمان، مبلغ و یا حتی انحراف پوشش است. اگرچه بسیاری از مسائل از مسافت و پوشش جمعیّت به عنوان هدفشان استفاده می‌کنند، اما در بعضی مسائل نیز زمان مهّم است.
مفهوم تساوی نیز در این طبقه قرار می‌گیرد، زیرا این نوع مسائل، روشی منصفانه در برخورد با مسأله پوشش دارند.
سطح و کارائی خدمت: در این طبقه، هدف سطح سرویس به همراه کارائی قرارمی‌گیرد.
سود: بعضی مسائل به سود خالص (تفاوت بین سودها و هزینه‌ها) علاقمندند.
اهداف دیگر: بعضی اهداف دیگر که در مسائل مکان‌یابی استفاده می‌شوند، مانند دستیابی به منابع به همراه ریسک‌های سیاسی و اجتماعی که نمی‌توانند در دیگر دسته‌ها قرار بگیرند.
سه هدف برای مسأله موردنظر ما درنظر گرفته شده‌است که هدف اول، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان درحال سفر؛ هدف دوم، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان در حال انتظار و هدف سوم، ماکزیمم کردن مجموع کارکرد دستگاه‌ها در واحد زمان می‌باشد.
1-4- روش حل
به طور کلی مسائل مکانیابی تسهیلات اصولاً NP-Hardهستند و بعید است بدون کاربرد الگوریتم‌های فراابتکاری بتوان حلّی بهینه را در زمان معقول پیدا کرد و زمان محاسباتی نیز با توجه به اندازه مسأله به صورت نمایی افزایش می یابد.
مسائل بهینه یابی چندهدفه، به طور کلی با یافتن حل‌های بهینه پارتو یا حل‌های مؤثّر کارمی‌کنند. چنین حل‌هایی غیرمغلوب هستند، یعنی هنگامی‌که همه اهداف درنظر گرفته شوند، هیچ حل دیگری برتر از آن‌ها نیست. بیشترین روش‌هایی که برای حل مسائل بهینه سازی چندهدفه به کار می‌روند، روشهای ابتکاری و فراابتکاری هستند.
برای مسائلی که در کلاس NP-Hard قرار می گیرند، تاکنون روش‌های دقیقی که بتواند در حالت کلی و در زمانی معقول به جواب دست یابد توسعه داده نشده‌است. از این رو روش‌های ابتکاری و فراابتکاری مختلفی را برای حل این دسته از مسائل به کار می برند تا به جواب‌های بهینه یا نزدیک به بهینه دست یابند.
در این تحقیق سعی شده‌است که از چندین الگوریتم بهینه سازی چندهدفه استفاده شود. الگوریتم NSGA-II به این خاطر انتخاب شده‌است که این الگوریتم در بسیاری از مقالات به عنوان الگوریتم مرجع مقایسه گردیده‌است. الگوریتم CNSGA-II نیز به این علت انتخاب شده‌است که روشی مناسب برای برخورد با محدودیت‌های حل مسأله ارائه می‌کند. چون باتوجه به ماهیت مسأله، چندین محدودیت سر راه حل مسأله ایجاد شده‌است که راهکار مناسبی برای رسیدگی به این محدودیت‌ها ایجاب می‌کند. الگوریتم NRGA نیز چون جزء جدیدترین الگوریتم‌های ارائه شده در زمینه بهینه سازی چندهدفه می‌باشد مورداستفاده قرار گرفته‌است. در سال‌های اخیر، الگوریتم‌های بهینه سازی مبتنی بر ایمنی مصنوعی بسیار مورد توجه قرار گرفته‌است که به همین علت، ما در این تحقیق سعی بر آن داریم که از کارآمدترین این الگوریتم‌ها استفاده کنیم. از میان الگوریتم‌های چندهدفه ایمنی، ما از MISA، VIS و NNIA استفاده کرده ایم که در ادامه و در بخش‌های بعدی به نتایج خوبی که دراثر استفاده از این الگوریتم‌ها بدست می‌آید، اشاره می‌کنیم.
1-5- اهمیت و ضرورت تحقیق
امروزه پایانه فروش، پایانه شعب، دستگاه‌های خودپرداز و ... نماد بانکداری الکترونیک است و یافتن مکان بهینه برای این پایانه‌ها و دستگاه‌ها می‌تواند نقش مهمی در حضور یک بانک یا مؤسسه در بازارهای داخلی و خارجی داشته باشد.
در این تحقیق سعی شده‌است که محدودیت‌ها و چالش‌های فراروی این مسأله در دنیای واقعی تا حد ممکن درنظر گرفته شود. به همین منظور محدودیت‌هایی ازقبیل ماکزیمم دستگاه خدمت‌رسانی که می‌تواند به کار گرفته شود و حدّ بالای زمان انتظار برای مشتریان منظور شده‌است. همچنین به‌دلیل اینکه یک هدف، پاسخگوی انگیزه ایجاد شده برای انجام این طرح نمی‌باشد، این مسأله به صورت یک مسأله چند هدفه درنظر گرفته شده‌است تا به دنیای واقعی هر چه نزدیکتر گردد تا در درجه اول سود بانک یا مؤسسه ازطریق انتخاب بهینه دستگاه‌های خودپرداز افزایش یابد و در درجه دوم رضایت مشتریان جلب گردد، به صورتی که هم پوشش مناسب برای خدمت‌رسانی داده شود و هم مدت زمان خدمت‌رسانی به مشتریان حداقل گردد.
1-6- اهداف تحقیق
اهدافی که برای اجرای این تحقیق درنظر گرفته شده‌است عبارتند از:
مروری بر مدل‌های مکانیابی تسهیلات به صورت کلّی
مروری بر مدل‌های مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم
بهینه نمودن استفاده از دستگاه‌های‌های خدمت‌رسان؛ یعنی دستگاه‌های خدمت‌رسان به چه تعداد و در چه محل‌هایی استقرار یابند و چه مراکز تقاضایی به این دستگاههای خدمت‌رسان تخصیص یابند، به‌صورتی که هم رضایت مشتریان جلب شود (این هدف را به صورت کمینه کردن مجموع زمان خدمت‌رسانی به مشتریان که شامل زمان سفر مشتریان از مراکز تقاضا به مراکز خدمت‌رسانی و زمان انتظار آنها برای خدمت‌رسانی درنظر گرفته ایم) و هم مجموع کارکرد دستگاه‌ها بیشینه گردد.
تطبیق الگوریتم‌های مختلف با مسئله مورد بررسی
تجزیه و تحلیل الگوریتم‌های مختلف با استفاده از روشهای مقایسه الگوریتم‌ها
1-7- جمع بندی
مسأله مکانیابی تسهیلات در حالت کلی به عنوان یک مسأله NP-Hard شناخته می‌شود. به‌خصوص در حالتی که محدودیت‌های دیگری نظیر محدودیت انتظار مشتریان در صف و محدودیت در تعداد تسهیلات باز شده نیز مطرح باشد، پیچیدگی این مسأله چندین برابر می‌شود.
هدف اول، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان درحال سفر؛ هدف دوم، مینیمم کردن متوسط تعداد مشتریان در حال انتظار و هدف سوم، ماکزیمم کردن مجموع کارکرد دستگاه‌ها در واحد زمان می‌باشد.
پایان نامه دارای ساختار زیر است: در فصل دوم برای آنکه خواننده با مفاهیمی که در این پایان‌نامه به کار گرفته شده‌است و همچنین موضوعاتی که در این تحقیق مطرح می‌شود، مروری جامع بر ادبیات موضوعات در بخش‌های مختلف اعم از مکانیابی تسهیلات به صورت کلی، مکانیابی تسهیلات باتوجه به مسأله مطرح شده و محدودیت‌های ایجاد شده به عمل آمده‌است. همچنین الگوریتم‌های چندهدفه‌ای که در این پروژه - ریسرچبه کار گرفته شده‌است به طور عمومی معرفی و تشریح می‌شوند. باتوجه به اینکه سه الگوریتم از این الگوریتم‌ها از مبحث ایمنی مصنوعی است، سعی شده‌است تا مروری مختصر بر این موضوع نیز انجام شود. در آخر نیز روش‌های اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌های چندهدفه معرفی شده‌اند.
در فصل سوم ابتدا درمورد مسئله مورد بررسی این تحقیق توضیحات کافی داده می شود و اهداف و محدودیت های فراروی آن شرح داده می شود. سپس، در قسمت طراحی الگوریتم‌ها، الگوریتم‌های درنظر گرفته شده را با مسئله مورد بررسی تطبیق می دهیم.
در فصل چهارم پس از اینکه درمورد تولید مسائل نمونه صحبت کردیم، به تجزیه و تحلیل و مقایسه الگوریتم‌ها خواهیم پرداخت که این کار را به این صورت انجام می‌دهیم که ابتدا معیارهای مختلف را برای تمامی الگوریتم‌ها اندازه گیری کرده و سپس این نتایج را باتوجه به روش‌های موجود درزمینه تحلیل واریانس، مورد تجزیه و تحلیل قرارمی‌دهیم.
در فصل پنجم نیز پس از مروری کلّی بر تحقیقی که انجام شده، چند زمینه تحقیق برای مطالعات آتی به خوانندگان پیشنهاد می‌شود.
4221207272
82867519050 2
00 2

مرور ادبیات

2-1- مقدمه
در این فصل، ابتدا به بحث درباره موضوع مکانیابی تسهیلات می پردازیم. در ابتدا، به مروری بر ادبیات این موضوع می پردازیم. در ادامه، مسائل پوشش که مهمترین و پرکاربردترین مباحث در این حوزه است را توضیح داده و مدل های دیگر مکانیابی تسهیلات را معرفی می نمائیم. سپس باتوجه به اینکه مسئله ما در حیطه مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم می باشد، به مرور ادبیات این حیطه و خصوصیات این نوع مدل ها می پردازیم. سپس سیستم صف و مسائلی که در این حوزه و ادامه تحقیق، موردنیاز است، شرح داده می شود. همچنین الگوریتم‌های چندهدفه‌ای که در این پروژه - ریسرچبه کار گرفته شده‌است به طور عمومی معرفی و تشریح می‌شوند. باتوجه به اینکه سه الگوریتم از این الگوریتم‌ها از مبحث ایمنی مصنوعی است، سعی شده‌است تا مروری مختصر بر این موضوع نیز انجام شود. در آخر نیز روش‌های اندازه گیری عملکرد الگوریتم‌های چندهدفه معرفی شده‌اند.
2-2- مکانیابی تسهیلات
2-2-1- مرور ادبیات در موضوع مکانیابی تسهیلات [5]
می‌توان استدلال نمود که تحلیل‌های مکانیابی در قرن هفدهم و با مسأله پیِر دِ فِرمَت شروع شد: فرض کنید که سه نقطه در یک صفحه وجود دارد، نقطه چهارمی را پیداکنید به صورتی که مجموع فواصلش تا سه نقطه فرض شده مینیمم گردد. اِوانجلیستا توریچلی نیز یکی از کسانی است که ساختارهای فضایی که نیاز به یافتن یک چنین میانه‌های فاصله‌ای یا «نقاط توریچلی» دارند، به آن نسبت داده شده‌است. به هر حال در قرن اخیر، با «مسأله وِبِر» از آلفرد وِبِر و بعضی از گسترش‌های بعدی اش در مسئله درِزنر و همکارانش دوران جدید تحلیلهای مکانیابی با کاربردش در مکانیابی صنعتی شروع می‌شود. مسأله وِبِر نقاطی را در یک سطح پیدا می‌کند که مجموع فواصل اقلیدسی وزن‌دهی شده آن تا یک مجموعه نقاط ثابت مینیمم گردد. این مسأله به این صورت تفسیر می‌شود که مکان یک کارخانه را به گونه‌ای پیداکنیم که کل مسافت وزن دهی شده آن از تأمین کنندگان و مشتریان مینیمم گردد، که وزن‌ها بیانگر حجم مبادلات می‌باشد، مثل وزن موادی که باید از یک تأمین‌کننده منتقل شود یا حجم محصولات نهایی که برای یک مشتری ارسال می‌شود.
تنها در دهه 60 و 70، با فراهم بودن گسترده قدرت محاسبات برای پردازش و تحلیل مقادیر بزرگی از داده‌ها بود که ما شروع واقعی بهینه سازی جدید و به همراه آن، تحقیق در مسائل مکانیابی را مشاهده می‌کنیم. این دوره را به این دلیل دوره بلوغ تحلیلهای مکانیابی می‌نامند که گرایش زیادی به مطالعه p-median کلاسیک، p-center، پوشش مجموعه، مکانیابی تأسیسات ساده و مسائل تخصیص درجه دوم و گسترش آنها پیدا شد.
در این دوره، کوپر مسأله تک تسهیلی وِبِر را گسترش داد تا مسأله تخصیص-مکانیابی چندتسهیلی را ایجاد کند. سپس مارانزانا این مسأله را از فضای پیوسته به شبکه گسترش داد. به هر حال حکیمی است که شالوده تحقیق در p-median و مسائل دیگر در یک شبکه را کامل می‌کند. مسأله p-median شبیه مسأله وِبِر در یک سطح، مکان p نقطه را در یک شبکه به گونه‌ای پیدا می‌کند که کل مسافت وزن دهی شده با تقاضا را تا نزدیکترین تسهیل مینیمم می‌کند. به علاوه حکیمی مسأله p-center اصلی را ارائه می‌کند که مکان p نقطه را در یک شبکه به گونه‌ای پیدا می‌کند که ماکزیمم مسافت تقاضا تا نزدیکترین تسهیل مینیمم گردد. نتیجه مهم قضیه حکیمی نیز مشخص است، یعنی اینکه یک حل در مسأله p-median، همیشه در گره‌های یک شبکه در مسأله واقع می‌شود، درحالیکه یک حل در مسأله p-center لزومی ندارد که در گره‌ها واقع شود. کاریف و حکیمی اثبات می‌کنند که مسائل p-center و p-median، NP-Hard هستند.
مدلهای پوشش، مسائلی را درنظر می‌گیرند که تقاضاها باید در یک مسافت مطمئنی از زمان سفر پوشش داده شوند. تورِگاس و همکارانش روش حلی را برای اینگونه مسائل که در کاربرد با نام مسأله پوشش مجموعه (LSCP) شناخته می‌شود را فرمول بندی و ارائه کردند. مکان تسهیلات برای خدمات اورژانسی از این مسأله الهام می‌شوند. چِرچ و رِوِله، مسأله مکانیابی حداکثر پوشش (MCLP) را ارائه کردند. این مسأله، مکانهای بهینه‌ای را برای تعداد معیّنی از تسهیلات پیدا می‌کند که جمعیّتی که درون یک فاصله خدمت‌رسانی مشخص، پوشش داده می‌شوند، حداکثر گردد.
دیگر مسأله بنیادی با مفهوم پوشش، مسأله تخصیص درجه دوم (QAP) می‌باشد که به دلیل طبیعت درجه دوّم فرموله کردن تابع هدفش به این نام خوانده می‌شود. تعدادی (N) تسهیل که در همان تعداد جایگاه (N) به گونه‌ای واقع می‌شوند که کل هزینه انتقال مواد درمیان آنها مینیمم گردد. هزینه حرکت مواد بین هر دو مکان بوسیله ضرب یک وزن یا جریان در فاصله بین مکان‌ها بدست می‌آید. مدل خطی آن بوسیله کوپمنس و بِکمن ارائه شد که مورد خاصی از مسأله حمل و نقل شناخته شده‌است. این مسأله NP-Hard علائق بسیاری را برای تحقیق ایجاد کرد و هنوز هم حل آن در هر اندازه ای، بسیار سخت به نظر می‌رسد.
دهه 80 و 90 تحقیقاتی را در تحلیل مکانیابی دید که به رشته‌های دیگر نیز گسترش پیدا کرد و نتایج سودمندی را از دیدگاه مدل سازی و کاربرد بدست آورد. این نوآوری‌ها تا به امروز نیز ادامه دارد.
از جمله این مدل‌ها می‌توان به مکان‌یابی رقابتی، مکان تسهیلات گسترده، مکانیابی تصادفی، مسیریابی، مکان‌یابی هاب و جلوگیری از جریان اشاره کرد. به عنوان کاربردهای جدید در این دوران می‌توان به ناحیه‌هایی ازجمله برنامه ریزی خدمات اورژانسی، کاربردهای محیط زیستی همچون تسهیلات زیان آور و ترکیب مکانیابی با مدیریت زنجیره تأمین اشاره کرد.
مدلهای مکانیابی رقابتی: حکیمی مدلهای رقابتی را درون تئوری مکانیابی وارد کرد. بیشتر نتایج در این زمینه یک فضای گسسته یا یک شبکه را درنظر می‌گیرند. اخیراً مدل‌های مکانیابی رقابتی پیوسته توسط داسکی و لاپورته ارائه شده‌است.
مدلهای مکانیابی تسهیلات گسترده: یک تسهیل اگر در مقایسه با محیطش، خیلی کوچکتر از یک نقطه به نظر برسد، گسترده نامیده می‌شود. چنین مدل‌هایی بارها در وضعیت‌های طراحی شبکه به کار گرفته شده‌است. مِسا و بوفی یک سیستم دسته بندی شامل مسائلی برای تعیین خط مسیر حمل و نقل مواد خطرناک ارائه کردند. اخیراً یک مثال بوسیله بریمبرگ و همکارانش آورده شده‌است که مسأله مکانیابی یک دایره درون یک کره را درنظر می‌گیرد، به صورتی که فاصله از تسهیلات موجود باید مینیمم گردد.
مکانیابی تصادفی: مدلهای مکانیابی تصادفی هنگامی رخ می‌دهند که داده‌های مسأله فقط به روشی احتمالی شناخته شوند. بِرمن و همکارانش مسائلی را درنظر گرفتند که ورود به تسهیلات به صورت تصادفی است و اثر تراکم نیز باید درنظر گرفته می‌شد. لوگندران و تِرِل یک مسأله LA با ظرفیت نامحدود را با تقاضاهای تصادفی حسّاس به قیمت درنظر گرفتند. بِرمن و کراس یک کلاس کلی از «مسائل مکانیابی با تقاضای تصادفی و تراکم» را ارائه کردند.
مسیریابی مکان: ترکیب تحلیلهای مکانیابی با زمینه‌های شناخته شده مسائل مسیریابی وسایل نقلیه، ناحیه جدید دیگری از مدل سازی، یعنی مسیریابی مکان را ایجاد می‌کند.
مکانیابی هاب: در چنین مسائل مکانیابی، هاب‌ها به عنوان متمرکزکننده‌ها یا نقاط سوئیچینگ ترافیک عمل می‌کنند، خواه برای مسافران خطوط هوایی باشد، خواه بسته‌های کوچک در سیستمهای سوئیچینگ. جریان بین منابع و مقاصد اساس مدل سازی این دسته از مسائل را تشکیل می‌دهد. اُکِلی اساس تحلیلهای مکانیابی هاب را بنانهاد. آن مدل‌ها به صورتی مدل سازی شد تا بهترین مکان‌ها برای متصل کردن ترمینال‌ها را باتوجه به مینیمم کردن هزینه‌های کل تراکنش‌ها، پیدا کند.
جلوگیری از جریان: در بسیاری از مسائل مکانیابی، تقاضاها فرض می‌شوند که در گره‌های یک شبکه رخ می‌دهند. یک تغییر جالب که بوسیله مسائل فرض می‌شود این است که تقاضا بوسیله جریانی از وسایل نقلیه یا پیاده‌هایی که از میان اتصالات شبکه عبور می‌کنند، ارائه می‌شوند. ازجمله کاربردهای این حیطه می‌توان به دستگاه‌های خودپرداز و ایستگاه‌های نفتی اشاره کرد. چنین مسائلی اولین بار توسط هاچسون و بِرمن و همکارانش ارائه شد.
مکانیابی یا جابجایی وسایل خدمات اورژانسی: مقدار شگرفی از تحقیقات در مطالعه مکانیابی وسایل خدمات اورژانسی ایجاد شده‌است. چَپمن و وایت اولین کار را برحسب محدودیت‌های کاربردی که در LSCP کاربرد دارد، ارائه کردند. مطالعه میرچندانی و اُدُنی زمان‌های سفر تصادفی را در مکانیابی تسهیلات اورژانس درنظر می‌گیرد. همچنین باتوجه به کاربردهای وسایل اورژانسی، مدل MEXCLP که توسط داسکین ارائه شده‌است، مدل MCLP را با محدودیت‌های احتمالی گسترش می‌دهد. رِپِده و برناردو، مدل TIMEXCLP را ارائه کردند که MEXCLP را با تغییر تصادفی در تقاضا گسترش می‌دهد.
کاربردهای مرتبط با محیط زیست: تسهیلات زیان آور و مفاهیم دیگر: بعضی از تحلیلهای مکانیابی در موضوع محیط زیست، مربوط به مکان تسهیلاتی می‌شود که برای جمعیت مجاورشان مضر یا نامطبوع هستند. گُلدمن و دیِرینگ و همچنین چِرچ و گارفینکل جزء اولین افرادی بودند که مکانیابی برای تسهیلات زیان آور یا تسهیلاتی که ترجیح می‌دهیم دور از دسترس باشند را درنظر گرفتند.
تحلیلهای مکانیابی با مدیریت زنجیره تأمین: مدیریت زنجیره تأمین (SCM) شامل تصمیمات درمورد تعداد و مکان تسهیلات و جریان شبکه در حیطه تأمین، تولید و توزیع می‌شود. در اولین کارها در برنامه ریزی پویا، بالُو از برنامه نویسی پویا برای جابجایی انبارها در طول دوره برنامه‌ریزی استفاده می‌کند. جئوفریون و پاورز محیطی یکپارچه را بین مکان و SCM درنظر می‌گیرد.
2-2-2- معیارهای دسته بندی مدلهای مکانیابی
مدلهای مکانیابی تسهیلات می‌توانند باتوجه به اهداف، محدودیتها، حل‌ها و دیگر خصوصیات دسته بندی شوند. در زیر، هشت معیار رایجی که برای دسته بندی مدل‌های مکانیابی تسهیلات سنتی استفاده می شود، آورده شده‌است ‍‍[6]:
مشخصات مکان: مشخصات مکان تسهیلات و جایگاه‌های تقاضا شامل مدل‌های مکانیابی پیوسته، مدل‌های شبکه گسسته، مدل‌های اتصال هاب و غیره می‌شود. در هر یک از این مدل‌ها، تسهیلات می‌توانند فقط در جایگاه‌هایی واقع شوند که توسط شرایط مکانی مجاز هستند.
اهداف: هدف یکی از معیارهای مهم برای دسته بندی مدل‌های مکانیابی است. هدف مدل‌های پوشش، مینیمم کردن تعداد تسهیلات برای پوشش همه نقاط تقاضا یا ماکزیمم کردن تعداد تسهیلاتی است که باید پوشش داده شوند. هدف مدل‌های p-center مینیمم کردن ماکزیمم فاصله (یا زمان سفر) بین نقاط تقاضا و تسهیلات است. آن‌ها اغلب برای بهینه کردن تسهیلات در بخش‌های عمومی همچون بیمارستان‌ها، اداره‌های پست و آتش‌نشانی‌ها استفاده می‌شوند. مدل‌های p-median سعی می‌کنند که جمع فاصله (یا متوسط فاصله) بین نقاط تقاضا و نزدیکترین تسهیلشان مینیمم گردد. شرکت‌هادر بخش‌های عمومی اغلب از مدل‌های p-median استفاده می‌کنند تا برنامه توزیع تسهیل را به گونه‌ای بریزند که مزایای رقابتشان را بهبود دهند.
روش‌های حل: روش‌های حل مختلف در مدل‌های مکانیابی مختلف همچون مدل‌های بهینه‌سازی و مدل‌های توصیفی بدست می‌آیند. مدل‌های توصیفی از رویکردهای ریاضی همچون برنامه نویسی ریاضی یا برنامه نویسی عددی استفاده می‌کنند تا حل‌های مختلف را برای سبک و سنگین کردن اکثر اهداف مهم در مقابل یکدیگر جستجو کنند. در مقابل، مدل‌های توصیفی، از شبیه سازی یا رویکردهای دیگری استفاده می‌کنند تا موفقیت دستیابی به الگوی مکانیابی را افزایش دهند تا حلی با درجه مطلوب بدست آید. روش‌های حل ترکیبی نیز بوسیله گسترش مدلهای توصیفی با تکنیک‌های بهینه سازی توسعه داده شده‌است تا مسائل مکانیابی تعاملی یا پویا (مثل سرورهای متحرک) را بسازند.
مشخصات تسهیلات: مشخصات تسهیلات نیز مدل‌های مکانیابی را به انواع مختلف تقسیم می‌کند. مثلاً، محدودیت تسهیل می‌تواند منجر به مدلی با یا بدون ظرفیت خدمت‌رسانی شود، و تکیه تسهیلات به یکدیگر می‌تواند به مدل‌هایی منجر شود که همکاری تسهیلات را به حساب آورند یا نیاورند.
الگوی تقاضا: همچنین مدل‌های مکانیابی می‌توانند براساس الگوهای تقاضا دسته بندی شوند. اگر یک مدل تقاضای انعطاف پذیر داشته باشد، پس آن تقاضا محیطی متفاوت با تصمیمات مکانیابی تسهیلات مختلف خواهد داشت؛ درحالیکه یک مدل با تقاضای غیرانعطاف پذیر، به علت تصمیمات مکانیابی تسهیلات، با آن الگوی تقاضا متفاوت نخواهد بود.
نوع زنجیره تأمین: مدل‌های مکانیابی می‌تواند بوسیله نوع زنجیره تأمینی که درنظر می‌گیرند تقسیم شوند (یعنی مدلهای تک مرحله‌ای درمقابل مدل‌های چند مرحله ای). مدل‌های تک‌مرحله‌ای بر روی سیستمهای توزیع خدمت تنها با یک مرحله تمرکز می‌کنند، درحالیکه مدل‌های چندمرحله ای، جریان خدمات را در طول چند سطح سلسله مراتبی درنظر می‌گیرند.
افق زمانی: افق زمانی، مدل‌های مکانیابی را به مدل‌های استاتیک و پویا دسته بندی می‌کند. مدل‌های استاتیک، کارایی سیستم را با درنظر گرفتن همزمان همه متغیرها بهینه می‌کند. درمقابل، مدل‌های پویا، دوره‌های زمانی مختلف را با تغییر داده‌ها درطول این دوره‌ها درنظر می‌گیرند و حل‌هایی را برای هر دوره زمانی با وفق دادن با شرایط مختلف ارائه می‌کند.
پارامترهای ورودی: روش دیگری برای دسته بندی مدل‌های مکانیابی براساس خصوصیت پارامترهای ورودی به مسأله است. در مدلهای قطعی، پارامترها با مقادیر مشخص پیش بینی می‌شوند و بنابراین، این مسأله، برای حل‌های ساده و سریع، ساده سازی می‌شود. به هر حال، برای بیشتر مسائل جهان واقعی، پارامترهای ورودی ناشناخته هستند و طبیعتاً ماهیت احتمالی/تصادفی دارند. مدل‌های مکانیابی احتمالی/تصادفی برای رسیدگی به ماهیت پیچیده مسائل جهان واقعی از توزیع احتمالی متغیرهای تصادقی استفاده می‌کنند یا مجموعه‌ای از طرحهای ممکن را برای پارامترهای نامعیّن درنظر می‌گیرند.
همچنین مدل‌های مکانیابی می‌توانند براساس مشخصات دیگری همچون مدل‌های تک محصولی درمقابل مدلهای چندمحصولی و یا مدلهای کششی درمقابل مدلهای فشاری متمایز شوند.
2-2-3- مسائل پوشش
ایده اصلی پشت مدلهای پوشش مکانیابی تسهیلات به گونه‌ای است که بعضی خدمات موردنیاز مشتریان فراهم شود. دو هدف برای مکانیابی تسهیلات وجود دارد که آیا همه مشتریان در شبکه با حداقل تسهیلات پوشش داده می‌شوند یا هر تعدادی از مشتریان که ممکن است با تعداد مشخصی از تسهیلات پوشش داده شوند. در اینجا به مسائل پوشش در شبکه می‌پردازیم [7]،[8].
2-2-3-1-مسأله پوشش مجموعه
برای ساده سازی، فرض می‌کنیم که همه مشتریان و تسهیلات در گره‌های شبکه واقع می‌شوند. در ادامه، ما از اندیس i برای اشاره به مشتریان و از اندیس j برای اشاره به تسهیلات استفاده می‌کنیم. همچنین تقاضاها (یا وزن‌ها) در گره i را با و تعداد تسهیلاتی است که باید مکانیابی شوند را با p نمایش می‌دهیم. همچنین ما را به عنوان کوتاهترین مسیر (یا زمان، هزینه یا هر عدم مطلوبیت دیگری) بین گره تقاضای و جایگاه تسهیل در گره تعیین می‌کنیم. اگر گره i بتواند بوسیله تسهیل در مکان j پوشش داده شود، قرارمی‌دهیم، درغیر اینصورت . همچنین را مجموعه همه جایگاه‌های کاندیدشده‌ای قرار می‌دهیم که می‌توانند گره تقاضای i را پوشش دهند. اینکه p تسهیل در کجا واقع شوند و کدام تسهیل باید کدام گره تقاضا را سرویس دهد، تصمیمات کلیدی در اینگونه مسائل هستند.
مسائل پوشش مجموعه در ابتدای دهه 70 ایجاد شد. هدف LSCP مکانیابی حداقل تعداد تسهیلات به گونه‌ای است که هر گره تقاضا بوسیله یک یا چند تسهیل «پوشش» داده شود. به طور کلی، تقاضا در یک گره i توسط تسهیل j پوشش داده شده نامیده می‌شود اگر فاصله (یا زمان سفر) بین گره‌ها کمتر از فاصله بحرانی D باشد. به علاوه، D به ماکزیمم فاصله یا زمان خدمتی که تصمیم‌گیرنده مشخص می‌کند اشاره می‌کند.
با این توضیحات، می‌توان مدل مکان پوشش مجموعه را که اولین بار توسط تورِگاس و همکارانش ارائه شد، به صورت زیر فرموله کرد:
(1.2)
(2.2)
(3.2)
تابع هدف (1.2) تعداد تسهیلاتی که استفاده می‌شوند را مینیمم می‌کند. محدودیت (2.2) تعیین می‌کند که برای هر نقطه تقاضای i، حداقل یک تسهیل باید در مجموعه ایجاد گردد که بتواند این گره را پوشش دهد. محدودیت‌های (3.2) محدودیت‌های تکمیلی هستند.

2-2-3-2- مسأله مکانیابی حداکثر پوشش
درمقابل مسأله پوشش مجموعه که در بالا آورده شد، مسأله مکانیابی حداکثر پوشش (MCLP) سعی نمی‌کند که همه مشتریان را پوشش دهد. تعداد p تسهیل را فرض کنید که هدف ما مکانیابی این تسهیلات به گونه‌ای است که بیشترین تعداد ممکن از مشتریان را پوشش دهیم. منظور از پوشش را نیز در بالا آوردیم.
با تعیین این محدودیت‌های مدل پوشش مجموعه، چِرچ و رِوِله مسأله مکانیابی حداکثر پوشش را به صورت زیر فرمول بندی کردند:
(4.2)
(5.2)
(6.2)(3.2)
(7.2)
که اگر گره تقاضای i پوشش داده شود، برابر یک خواهد بود، درغیر اینصورت صفر می‌شود. تابع هدف (4.2) تعداد تقاضاهایی که پوشش داده می‌شوند را ماکزیمم می‌کند. محدودیت (5.2)، متغیرهای مکان و پوشش را به همدیگر مرتبط می‌کند و نشان می‌دهد که گره تقاضای i نمی‌تواند به عنوان پوشش داده شده تلقی گردد مگر اینکه ما حداقل یک تسهیل را در یکی از جایگاه‌های کاندید شده مستقر کنیم که بتواند آن گره را پوشش دهد. محدودیت (6.2) تعداد تسهیلات را به p محدود می‌کند و محدودیت‌های (3.2) و (7.2) محدودیت‌های تکمیلی هستند.
اگر تعداد تسهیلاتی که برای پوشش تمام تقاضاها نیاز است، از منابع دردسترس بیشتر شود، یک گزینه، راحت کردن الزامات برای پوشش کامل می‌باشد.
2-2-3-3- مسائل p-center
نوع دیگری از مسائل کلاسیک پوشش، اصطلاحاً مسائل p-center نامیده می‌شود. هدف مسائل p-center ، مکانیابی تعداد معین p تسهیل به گونه‌ای است که بزرگترین فاصله بین هر مشتری و نزدیکترین تسهیلش تا حد ممکن کوچک شود. اگرچه از دیدگاه نظری، مسائل p-center متفاوت هستند، اما یک روش دوبخشی ساده می‌تواند به کار گرفته شود تا مسائل p-center را به عنوان بخشی از مسائل پوشش حل نماید. این مسأله می‌تواند به صورت زیر فرمول بندی شود که Q ماکزیمم فاصله است که باید مینیمم گردد:
(8.2)
(9.2)
(10.2)
(6.2)
(11.2)
(3.2)
(12.2)محدودیت (9.2) ما را مطمئن می‌کند که هر گره تقاضا تخصیص داده شده‌است، درحالیکه محدودیت (10.2) تصریح می‌کند که این تخصیصها می‌توانند فقط در تسهیلاتی که بهره برداری شده‌اند ایجاد شود. محدودیت (6.2) بیان می‌کند که دقیقاً p تسهیل می‌تواند ایجاد شود. محدودیت (11.2) ماکزیمم فاصله را برحسب متغیرهای تصمیم تعیین می‌کند. این محدودیت‌ها تصریح می‌کنند که Q باید بزرگتر یا مساوی با فاصله‌ای باشد که برای هر گره تقاضا تخصیص داده می‌شود.
2-2-3-4- مسائل p-median
درمقابل مسائل p-center با اهداف مینیماکسش که در قسمت قبل توضیح داده شد، مسائل p-median اهداف مینیمم مجموع دارند. به عبارت دیگر مسائل p-median ، p تسهیل را به‌گونه‌ای مکان‌یابی می‌کنند که مجموع فواصل بین همه مشتریان و نزدیکترین تسهیل مرتبطشان مینیمم گردد. رِوِله و سواین مسأله p-median را به صورت زیر فرمول بندی کردند:
(13.2)
(9.2)
(10.2)
(6.2)
(3.2)
(12.2)
تابع هدف (13.2) کل فاصله‌ای که در تقاضا ضرب شده‌است را مینیمم می‌کند. از آنجائیکه تقاضاها مشخص هستند و کل تقاضا ثابت است، این هدف در حکم مینیمم کردن متوسط فاصله ضرب در تقاضا است. به خاطر داشته باشید که این فرمول بندی خیلی شبیه به فرمول بندی مسأله p-center است مگر در تابع هدف و محدودیت شماره (11.2).

2-2-4- مسائل دیگر مکانیابی [8]
در این بخش به اختصار به انواع دیگری از مدل‌های مکانیابی که در مقالات استفاده شده‌است اشاره می‌کنیم. اولین نوع، مدل‌هایی هستند که به تسهیلات نامطلوب اشاره می‌کنند. چنین مدل‌هایی به مکانیابی تسهیلاتی همچون تأسیسات تصفیه فاضلاب، محل‌های بازیافت زباله‌ها، نیروگاه‌ها یا زندان‌ها می‌پردازند که همسایگی آنها با نواحی مسکونی نامطلوب به نظر می‌رسد.
به عنوان سیستم‌هایی که معمولاً شامل دو یا چند سطح از تسهیلات می‌شوند، از سیستمهای سلسله مراتبی استفاده می‌کنیم. بسیاری از سیستمها در طبیعت سلسله مراتبی هستند. این تسهیلات معمولاً برحسب نوع خدماتی که ارائه می‌کنند سلسله مراتبی هستند. مثلاً مراکز مراقبت‌های پزشکی را درنظر بگیرید که شامل کلینیک‌های عمومی، بیمارستان‌ها و مراکز دارویی هستند.
نوع دیگری از مدل‌ها، به مدل‌های مکانیابی می‌پردازد که اهداف «یکسان» دارند. این مدل‌ها، تسهیلات را به گونه‌ای مکانیابی می‌کنند که برای همه مشتریان به طور مساوی دردسترس باشند.
ناحیه فعال دیگر در این زمینه، مکانیابی هاب‌هاست. هاب به عنوان توپ در مرکز یک چرخ است و منظور از آن، تسهیلاتی است که به بعضی جفت‌های منبأ-مقصد به عنوان گره‌های معاوضه و حمل و نقل سرویس دهی می‌کند و در سیستمهای ترافیک و ارتباطات استفاده می‌شود.
نوع دیگر از مدل‌های مکانیابی، مدل‌های مکانیابی رقابتی است. مثالی از این نمونه به این صورت است که دو فروشنده انحصاری یک محصول را درنظر بگیرید که تسهیلی را هر کدام در یک پاره خط ایجاد می‌کنند. آنها از ابزاری مشابه استفاده می‌کنند و در مکان و قیمت رقابت می‌کنند.
در پایان، تسهیلات گسترده و مسائل جانمایی تسهیلات را درنظر بگیرید. در هر دو زمینه، به خاطر اینکه اندازه تسهیلات در قیاس با فضایی که در آن واقع شده‌اند قابل چشم پوشی نیست، تسهیلات نمی‌توانند به صورت یک نقطه بر روی نقشه نشان داده شوند و خیلی بزرگتر از آن هستند که به صورت یک نقطه درنظر گرفته شوند. به عنوان نمونه‌هایی از مسائل جانمایی، آرایش ایستگاه‌های کاری در یک اداره و قراردادن اتاق‌ها در یک بیمارستان را می‌توان نام برد.
2-2-5- مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکمما در این بخش به مسائل پیدا کردن مکان‌های بهینه برای مجموعه‌ای از تسهیلات در حضور تقاضای مشتریان تصادفی و تراکم در آن تسهیلات می‌پردازیم. ما به این گونه مسائل به عنوان «مسائل مکانیابی با تقاضای تصادفی و تراکم» (LPSDC) نگاه می‌کنیم [9]. اکثراً ما بحث درباره مسائل را به شبکه محدود می‌کنیم، حتی اگر این مدل‌ها بتواند به مکان‌های گسسته گسترش یابند.
اهمیت مشهود پرداختن به مسائل مکانیابی تسهیلات در حضور عدم قطعیت‌های گوناگون، منجر به تعداد زیادی از مقالات در این موضوع می‌شود. اصولاً مدل‌های LPSDC بر روی دو منبع از عدم قطعیت متمرکز می‌شود: (1) مقدار واقعی و مقدار زمانی که تقاضا بوسیله هر مکان مشتری تولید می‌شود و (2) از دست دادن تقاضا (یا جریمه پولی) به علت ناتوانی تسهیل در فراهم کردن سرویس مناسب به (بعضی از) مشتریان به علت تراکم در آن تسهیل.
این گونه مسائل به پیدا کردن بهترین مکان‌ها برای مجموعه‌ای از تسهیلات می‌پردازند تا ظرفیت سرویس (تعداد خدمت دهندگان) را در تسهیل j مشخص کند. نتیجه چنین سیستمی می‌تواند به صورت یک سیستم صف با M صف و سرویس دهنده مشاهده شود. حتی تحلیل‌های توصیفی چنین سیستمهایی (یعنی با فرض اینکه تصمیمات مکانیابی در حال حاضر گرفته شده‌اند) می‌تواند توانایی حال حاضر سیستم صف را گسترش دهد. چنین مسائلی، قابلیت‌های مسائل مکان‌یابی «کلاسیک» (که بیشتر آن‌ها NP-complete شناخته می‌شوند) را با پویایی پیچیده سیستم‌های صف ترکیب می‌کند. بنابراین، در ساختن یک مدل LPSDC کاربردی، بعضی فرض‌ها و تخمین‌های ساده سازی باید انجام شود تا مدل را قابل حل کند.
یک ناحیه مهم کاربرد مدل‌های LPSDC، مکان‌یابی تسهیلات خدمات اورژانسی (مانند بیمارستان‌ها)، ایستگاه‌های پلیس، ایستگاه‌های آتش نشانی و آمبولانس‌ها هستند. توانایی پاسخگویی به یک درخواست برای خدمت‌رسانی در زمان مناسب، به چنین سیستم‌هایی اختصاص دارد (مثلاً استاندارد رایج برای آمبولانس‌ها در آمریکای شمالی برای پاسخگویی به تلفن‌های با ارجحیت بالا، 3 دقیقه می‌باشد). خصوصیت پایه چنین سیستم‌هایی غیرقابل پیش بینی بودن تعداد و زمان رسیدن تلفن‌ها برای درخواست و اثری که روی کارایی سیستم تراکمی می‌گذارد است و هنگامی‌که بعضی از این تسهیلات درخواست‌های بسیاری را برای خدمت در دوره زمانی مشخصی دریافت می‌کنند، نتیجه آن مشخص می‌شود. به راستی که از لحاظ تاریخی، مسأله مکان‌یابی تسهیلات خدمات اورژانسی، محرّک اصلی برای تحقیقات بیشتر در این زمینه را فراهم کرده‌است.
دیگر ناحیه مهم کاربرد این مسائل که کمتر مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته‌است، مکان‌یابی خرده فروشی‌ها یا تسهیلات خدمت‌رسانی دیگر است که مقدار کل تجارت (تقاضای مشتری) در یک تسهیل ممکن است هنگامی‌که نرخ خدمت‌رسانی به علت تراکم کاهش می‌یابد، به طور معکوس عمل کند. درحالی که بعضی از مدل‌هایی که برای مکان‌یابی تسهیلات اورژانسی توسعه پیدا کرده‌اند، می‌توانند به خوبی برای تسهیلات غیراورژانسی نیز به کار روند، این دو دسته از کاربردها، خصوصیات مختلف خودشان را نیز ایجاد می‌کنند.
2-2-5-1- مرور ادبیات مسائل مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم [10]
باتوجه به انعطاف پذیری تقاضا، دسترسی به یک تسهیل می‌تواند برحسب مجاورت با مشتریان بالقوه اش (وِرتر و لاپیِره)، به صورت کل زمان موردنیاز برای دریافت سرویس (پارکر و سرینیواسان) مدل سازی شود. در این مورد یا موارد دیگر، شکل تابع تقاضای مورداستفاده، گسترشی از انعطاف پذیری تقاضا را نشان می‌دهند. بیشتر توابع تقاضای رایج در مقالات به شکل‌های زیر هستند: تابع خطی (وِرتر و لاپیِره؛ پارکر و سرینیواسان)؛ تابع نمایی (بِرمن و پارکان؛ بِرمن و کاپلان و درِزنِر)؛ و تابع مرحله‌ای (بِرمن و کِراس).
اگر انتخاب مشتری را درنظر بگیریم ( که بدین معنی است که هر عضو این حق را دارد که خود تسهیلش را انتخاب کند و نه اینکه توسط یک مرکز به یکی اختصاص پیدا کند)، یک گروه از مقالات، انتخاب بهینه را فرض می‌کنند، یعنی، هر مشتری، تسهیلی که برحسب مزیتش بهینه است را انتخاب می‌کند. بسیاری از نویسندگان به سادگی فرض می‌کنند که مشتریان به نزدیکترین تسهیل مراجعه می‌کنند، درحالیکه پارکر و سرینیواسان فرض می‌کنند که مشتریان، تسهیلی که بیشترین منفعت را دارد انتخاب می‌کنند. درمقابل، گروه دوم مطالعات، انتخاب احتمالی را فرض می‌کنند، یعنی، انتخاب تسهیل توسط مشتری، براساس توزیع احتمالی است که از سودمندی و مجاورت هر تسهیل ایجاد می‌شود. این فرض اغلب در محیط بازار استفاده می‌شود و شاید یک کار اصولی از هاف، مؤثرترین مدل در این دسته باشد. همچنین ماریانوف و همکارانش یک مسأله مکانیابی تسهیلات با تراکم را پیشنهاد کردند که از یک مدل انتخابی احتمالی برای نشان دادن رفتار تخصیص مشتریان استفاده می‌کرد.
مسأله موردنظر ما که تا حدودی در تئوری مکان‌یابی تسهیلات، پایه‌ای به حساب می‌آید، توجّهات بسیاری را در مقالات به خود جلب کرده‌است؛ مخصوصاً اینکه تقابل جنبه‌های مکانیابی و تصادفی (صف بندی)، آن را چالش برانگیز کرده‌است [11]. این مسأله متعلق به دسته‌ای از مسائل مکانیابی با تقاضای تصادفی و تراکم و سرویس دهندگان ثابت (LPSDC) است که توسط بِرمن و کراس مرور شده‌است. مطالعه مدل‌هایی از این نوع، با ماریانوف و سِرا در سال 1998 شروع شده‌است. مقالات دیگری نیز در این زمینه نوشته شده‌است که می‌توان به مقالات بِرمن، کراس و وانگ؛ ماریانوف و ریوس؛ ماریانوف و سِرا؛ وانگ، باتا و رامپ اشاره کرد. به علت پیچیدگی باطنی مسأله، همه مقالاتی که در بالا آورده شده، ساده سازی‌های بزرگی را انجام داده‌اند: فرض می‌شود که تقاضا گسسته است، یا فرض می‌شود که تعداد یا ظرفیت تسهیلات (یا هر دو) ثابت هستند، فرض می‌شود که مکان‌های تسهیلات بالقوه گسسته و بینهایت هستند، فرض می‌شود که فرایند رسیدن تقاضا پواسن باشد و همچنین معمولاً فرض می‌شود که فرایند خدمت‌رسانی نمایی است.
ترکیب حالت تصادفی (شامل تراکم بالقوه در تسهیلات) در مدل‌های نوع پوشش تسهیلات، با مسأله مکانیابی حداکثر پوشش موردانتظار (MEXCLP) توسط داسکین شروع شد؛ و تعداد قابل ملاحظه‌ای از دیگر کاربردها نیز در ادامه آن آورده شد. اما این مدل شامل بعضی ساده سازی‌های بزرگی بود، برای مثال: احتمال اینکه یک خدمت‌رسان مشغول باشد، مستقل از هر خدمت دهنده دیگری است و این موضوع برای همه خدمت دهندگان یکسان است؛ این احتمالات نسبت به مکان و حجم کار یکسان هستند. ماریانوف و سِرا فرض کردند که: (1) تقاضای مشتریان توسط یک فرایند پواسن تولید می‌شود؛ (2) توزیع زمان خدمت نمایی است؛ (3) هر تسهیل به صورت یک سیستم صف M/M/1/a با ظرفیت محدود a عمل می‌کند؛ و (4) همه تقاضاها هنگامی‌که برای خدمت‌رسانی به سیستم می‌رسند، اگر سیستم پر باشد، فرض می‌شود که تقاضا از دست می‌رود. توسط این مدل، تقاضای مشتریان ممکن است ازبین برود، چون یا تسهیل در شعاع پوشش آن وجود ندارد و یا تسهیلات مسدود شده‌اند. هدف، قرار دادن m تسهیل به گونه‌ای است که تقاضا‌ها را هرچه بیشتر پاسخ دهد. ماریانوف و ریوس این مدل را برای مکانیابی دستگاه‌های خودپرداز به کار گرفتند. در مدل آن‌ها، دستگاه‌ها، حافظه کوچکی دارند که هر کدام می‌تواند تعداد ثابتی، b، درخواست را نگهدارند که آن به این علت است که درخواست‌های دستگاه‌ها، اندازه ثابتی (53 بایت) دارند. همچنین دستگاه‌ها به صورت یک صف M/M/1، حداکثر b درخواست در صف (یعنی حافظه) را انجام می‌دهد. اگر یک درخواست درحالی برسد که حافظه پر است، آن درخواست ازدست می‌رود (و باید دوباره فرستاده شود)، و برای اینکه مطمئن باشیم که این رویداد نادر است، یک محدودیت سطح سرویس اعمال شده‌است. به هر حال تعداد کل دستگاه‌ها،به جای اینکه به عنوان قسمتی از فرایند بهینه سازی تعیین شود، ثابت هستند. مدل LSCP این مدل توسط ماریانوف و سِرا گسترش داده شد که در آن، هدف، پیدا کردن حداقل تعداد تسهیلات به گونه‌ای است که همه مشتریان، یک تسهیل در شعاع پوششان داشته باشند و محدودیت بر روی حداکثر نسبت تقاضای از دست رفته (یا حداکثر زمان انتظار) رعایت شود. باید به یاد داشته باشیم که این مدل، فرض می‌کند که مشتریان به جای اینکه به نزدیکترین تسهیل مراجعه کنند، می‌توانند به هر تسهیل باز شده‌ای در شعاع پوشش تخصیص یابند. بنابراین، آنها به جای مکانیسم انتخاب مشتری، مکانیسم انتخاب هدایت شده را انتخاب می‌کنند.
2-2-5-2- مکانیابی تسهیلات با تقاضای تصادفی و تراکم
دو منبع بالقوه برای از دست دادن تقاضا به صورت زیر است [12]:
عدم پوشش: این مورد زمانی اتفاق می‌افتد که هیچ کدام از تسهیلات به اندازه کافی به مشتری نزدیک نیستند که سطح مناسبی از راحتی را فراهم کنند.
عدم سرویس: این مورد زمانی اتفاق می‌افتد که مشتری تصمیم می‌گیرد که یک تسهیل را ملاقات کند، اما باتوجه با سطح سرویسی که در آنجا دریافت می‌کند، ناراضی می‌شود. علت‌های زیادی ممکن است وجود داشته باشد که حادثه شکست خدمت اتفاق افتد: یکی از رایج ترین آنها (و مرتبط ترین به تصمیمات مکانیابی) تراکم (پرجمعیتی) در آن تسهیل است.
برای مدل سازی تقاضایی که به علت تراکم از دست می‌رود، ما هر تسهیل را به صورت یک صف مارکفی با ظرفیت ثابت معین درنظر می‌گیریم و فرض می‌کنیم که اگر این ظرفیت به دست آمده باشد، تقاضای مشتری هنگامی‌که درطول این دوره می‌رسد، از دست می‌رود (یعنی، مشتریان بالقوه‌ای که هنگام پر بودن سیستم می‌رسند، مسدود می‌شوند).
مدل‌های LPSDC اصولاً به تقابل چهار مجموعه از عناصر مربوط می‌شود [9]:
مشتریان: که برای انجام خدمت، درخواست می‌دهند.
تسهیلات: که به منابعی (خدمات دهندگان) که برای انجام خدمات موردنیاز است مکان می‌دهند.
خدمت دهندگان: که خدمت درخواست شده را انجام می‌دهند، و
درخواست انجام خدمت: که توسط مشتریان انجام می‌شود و بوسیله اتصال یک مشتری با یک خدمت دهنده دردسترس، رسیدگی می‌شود.
دیگر اجزاء موردنیاز برای توصیف یک مدل LPSDC به صورت زیر هستند: انواع فراهم شدن خدمت (که یا مشتریان به تسهیلات سفر می‌کنند تا به خدمت دهندگان دست یابند و یا خدمت‌دهندگان متحرّک، به مکان مشتریان سفر می‌کنند)، طبیعت و نتایج تراکم (هنگامی‌که یک تسهیل درخواست‌های بسیار زیادی برای انجام خدمت دریافت می‌کند، چه عکس العملی از خود نشان می‌دهد؟)، فرضیات رفتار مشتری (مشتریان تصمیم می‌گیرند که برای بدست آوردن خدمت، به کدام تسهیل مراجعه کنند یا یک «مرجع مرکزی» وجود دارد که مشتریان را به تسهیلات متصل می‌کند)، نوع اهداف و احتیاجات خاص دیگر مانند «استانداردهای پوشش» (که معمولاً به صورت محدودیت‌ها بیان می‌شود).
یک شبکه مشخص را فرض می‌کنیم ، که N، مجموعه گره‌ها و A مجموعه کمان‌هاست. برای از استفاده می‌کنیم که به کوتاهترین مسیر از x به y است.
مشتریان: فرض می‌شود که مشتریان در گره‌های شبکه واقع می‌شوند. نسبت را برای همه درخواست‌هایی که برای انجام خدمت از گره ایجاد می‌شود درنظر می گیریم که . معمولاً فرض می‌شود که کل تقاضای مشتریان برای خدمت‌رسانی، یک فرایند پوآسن از جنس زمان با نرخ است. همچنین فرایند درخواست خدمت برای هر گره i، یک فرایند پوآسن با نرخ می‌باشد. درحالیکه بیشتر مدل‌ها، از ساختار تقاضای مشتریانی که در بالا توضیح داده شد استفاده می‌کنند، بعضی تلاشها برای دخالت دادن امکان ازدست دادن تقاضا به علت تراکم انجام شده‌است. این می‌تواند بوسیله تعریف دوباره نرخ تقاضا در گره i به صورت تعریف شود که C، بعضی اندازه‌های هزینه تراکم است که بوسیله مشتریان اتفاق می‌افتد و یک تابع غیر افزایشی است. در ادامه این بخش، به طور عمومی فرض می‌کنیم که تحت تأثیر تراکم قرار نمی‌گیرد.
تسهیلات: ما فرض می‌کنیم که حداکثر M تسهیل وجود دارد که باید مکان‌یابی شود. ما فرض میکنیم که یک مجموعه گسسته از مکان‌های بالقوه تسهیلات X تعیین شده‌است (که ) و . این فرضیات نیز بدون از دست دادن عمومیت انجام می‌شود: باتوجه به استدلالاتی که توسط بِرمن، لارسون و چیو انجام شده‌است می‌توان نشان داد که اگر به تسهیلات اجازه دهیم که در هر جایی در طول کمان واقع شوند، یک حل بهینه در یک مجموعه گسسته از مکان‌ها بدست می‌آید که شامل گره‌های شبکه است که بوسیله بعضی نقاط داخلی در طول کمان ایجاد شده‌است. بنابراین، با تکمیل کردن مجموعه گره‌های اصلی بوسیله بعضی گره‌های «ساختگی» اضافی، می‌توان فرض کرد که X گره‌ای است.
خدمت دهندگان: هر تسهیل j می‌تواند بین 1 و K خدمت دهنده داشته باشد. بسته به ماهیت خدمتی که بوسیله این تسهیل انجام می‌شود، خدمت دهندگان یا ثابت هستند، یعنی به طور ثابت در تسهیل واقع می‌شوند، یا متحرک هستند، یعنی برای انجام خدمت به مکان مشتریان سفر می‌کنند. تعداد خدمت دهندگانی که در تسهیل j واقع می‌شوند، یک متغیرتصمیم گیری در مدل می‌باشد.
درخواست خدمت: معمولاً یک درخواست برای انجام خدمت، به یک «یارگیری» بین مشتری ایجاد کننده درخواست و یکی از خدمت دهندگان موجود در سیستم احتیاج دارد. این کار معمولاً به صورت زیر انجام می‌شود:
اول باید تعیین کنیم که آیا مکان i بوسیله سیستم پوشش داده می‌شود یا خیر؟ معمولاً برای اینکه یک مشتری پوشش داده شود فرض می‌شود که با استاندارد‌های پوشش معینی مطابقت دارد (مثلاً، تعداد خدمت دهنده کافی باید در اطراف مشتری واقع شده باشد و غیره). این استانداردهای پوشش اغلب از طریق قانونگذاری یا قوانین اجرایی ایجاد می‌شود. اگر مکان مشتری i پوشش داده نشده باشد، همه درخواست‌های خدمت که از i ایجاد می‌شود، به صورت خودکار بوسیله سیستم برگردانده می‌شود (صرفنظر از اینکه آیا سیستم در حال حاضر متراکم هست یا خیر؟). معمولاً برای از دست دادن پوشش مجموعه یک جریمه درنظر گرفته می‌شود. یک تفسیر دیگر از گسترش ندادن پوشش به یک مشتری این است که مشتری بوسیله بعضی خدمات «دیگر» یا «ذخیره» پوشش داده شود (مثلاً، یک خدمت آمبولانس غیردولتی)؛ پس جریمه پوشش ندادن، می‌تواند به عنوان حق الزحمه قرارداد فرعی تفسیر می‌شود.
زمانی که معین می‌شود که درخواست خدمت از یکی از مشتریان «پوشش داده شده» بیاید، یک ارزیابی انجام می‌شود که آیا حالت فعلی سیستم اجازه می‌دهد که فرایند درخواست انجام شود یا خیر؟ این ارزیابی معمولاً در دو مرحله اتفاق می‌افتد: اول، قوانین منطقه‌ای و مکان مشتری برای تعیین «زیرسیستم» مشتری، استفاده می‌شود، یعنی، کدام تسهیلات و خدمت دهندگان می‌توانند به طور بالقوه به این درخواست پاسخ دهند (این ممکن است شامل همه خدمت دهندگان در شبکه شود و یا فقط خدمت دهندگانی که در شعاع سفر معینی از مکان مشتری واقع شده‌اند و غیره). بعد، تعداد درخواست‌های انجام نشده در زیرسیستم ارزیابی می‌شود و تصمیم گیری می‌شود که آیا این درخواست پذیرفته شود یا رد شود؟ این تصمیم معمولاً براساس ظرفیت زیرسیستم صورت می‌پذیرد (مثلاً برای یک صف «ازدست رفته»، اگر هیچ خدمت دهنده‌ای در حال حاضر دردسترس نباشد، یک عدم پذیرش ممکن است اتفاق بیفتد؛ در موارد دیگر ممکن است این محدودیت وجود داشته باشد که چه تعداد درخواست می‌تواند در یک زمان مشخص در صف وجود داشته باشد). معمولاً یک جریمه مرتبط با قبول نکردن یک درخواست وجود دارد. باز هم تأکید می‌کنیم، برخلاف نپذیرفتن یک درخواست از مشتریانی که پوشش داده نشده‌اند که به صورت خودکار است، نپذیرفتن درخواست یک مشتری که پوشش داده شده‌است، براساس حالت سیستم است. به خاطر داشته باشید که قوانین منطقه ای، درجه همکاری بین تسهیلات گوناگون و خدمت دهندگان را در سیستم معین می‌کند.
بعد، درخواست پذیرفته شده به یکی از تسهیلات متصل می‌شود (یعنی تخصیص پیدا می‌کند). این تخصیص ممکن است به قوانین اتصال مطمئن بستگی داشته باشد، همانطور که به حالت فعلی سیستم بستگی دارد (مثلاً، یک درخواست ممکن است به نزدیکترین تسهیل متصل شود و یا ممکن است به نزدیکترین تسهیل با حداقل یک خدمت دهنده آزاد متصل شود و غیره). همچنین قوانین اتصال به فرضیات رفتار مشتریان نیز بستگی دارد، یعنی اینکه کدام تسهیل باید این درخواست را انجام دهد به مشتری بستگی دارد یا به بعضی مراجع مرکزی. ما، این مورد را که مشتری تصمیم می‌گیرد که کدام تسهیل باید به درخواستش رسیدگی کند به عنوان «انتخاب کاربر» و موردی که یک مرجع مرکزی این تصمیم را می‌گیرد به عنوان «انتخاب هدایت شده» می‌شناسیم.
معمولاً یک درخواست پذیرفته شده در یک تسهیل معین، در صف قرار می‌گیرد تا یک خدمت دهنده، دردسترس قرار گیرد. زمانی که این اتفاق می‌افتد، خدمت دهنده و مشتری «یارگیری» کرده‌اند. درمورد خدمت دهندگان متحرک، لازم است که این خدمت‌دهندگان از مکان فعلی شان به مکان مشتری سفر کنند (که متحمل هزینه سفر می‌شوند).
معمولاً مسائل مکانیابی با خدمت دهندگان متحرک، دارای مشخصات زیر هستند:
این تخصیص بستگی به حالت فعلی خدمت دهندگان در زمان ارسال دارد. برای خدمت دهندگان ثابت، این تخصیص ممکن است قبل از تصمیم گیری برای انجام خدمت اتفاق بیفتد، بنابراین ممکن است گفته شود که خدمت دهندگان متحرک ممکن است با یکدیگر همکاری کنند، درحالیکه خدمت دهندگان ثابت تمایلی به این کار ندارند.
اگر یک کاربر، درخواستی را انجام دهد و نزدیکترین خدمت دهنده مشغول باشد، خدمت دهنده دیگری ارسال می‌شود. یعنی، این تخصیص، در حالت مطلق، به نزدیکترین تسهیل اتفاق نمی‌افتد.
مسائل مکانیابی احتمالی اغلب می‌توانند به خوبی به صورت مجموعه مستقلی از سیستم‌های صف، مدل سازی شوند. این استقلال، ازطریق ابزاری ناشی می‌شود که حتی اگر زمان‌های خدمت از یک توزیع نمایی پیروی کنند، درمورد هنگامی‌که زمان سفر احتمالی است، این امر صادق نیست. بنابراین، تئوری صف M/G/m مناسب‌تر از تئوری M/M/m است.
حال به فرموله کردن مسأله می‌پردازیم. محدودیت‌های مسأله معمولاً شامل موارد ذیل است:
- یک حد بالای M بر روی کل تعداد تسهیلاتی که می‌توانند واقع شوند:
(14.2)
- یک حد بالای K بر روی کل تعداد خدمت دهندگانی که می‌تواند واقع شوند:
(15.2)
- استانداردهای پوشش: بسته به احتیاجات پوششی که استفاده می‌شود، می‌تواند شکل‌های گوناگونی به خود بگیرد. شاید ساده ترین (و قدیمی‌ترین) شکل این محدودیت‌ها، به این نیاز دارد که حداقل تعداد مشخصی از این خدمت دهندگان ،، باید در حداکثر فاصله مشخصی از هر مکان مشتری i، واقع شوند. اجازه دهید زیرمجموعه‌ای از مکان‌های تسهیلات بالقوه در فاصله موردنیاز از i باشد. پس این محدودیت می‌تواند به صورت زیر بیان شود:
(16.2)
شکل پیچیده تر این محدودیت پوشش، ممکن است احتیاجاتی احتمالی را به زمان‌های پاسخ تحمیل کند. مثلاً، یک پاسخ سه دقیقه‌ای زمان پاسخ را درنظر بگیرید که برای درخواست‌های آمبولانس با ارجحیت بالا موردنیاز است. شکل دیگری از محدودیت‌ها، ممکن است یک حد بالایی را بر روی نسبت درخواست‌هایی که برگردانده می‌شود ،، اعمال کند. به طور خلاصه، ما می‌توانیم یک محدودیت عمومی را به صورت زیر ارائه کنیم. اجازه دهید که یک متغیر تصادفی باشد که بیانگر «سطح سرویسی» است که بوسیله سیستم به نقاط تقاضای مشتری i تحویل می‌شود (مثلاً، زمان پاسخ). اجازه دهید، ، بیانگر حداقل فراوانی مطلوب این اتفاق باشد (مثلاً، 95% از این زمان). بنابراین، یک محدودیت سطح سرویس کلی می‌تواند به صورت زیر بیان شود:
(17.2)
اکنون، مسأله LPSDC عمومی می‌تواند به صورت زیر فرمول بندی شود:
(18.2)
باتوجه به محدودیت‌های (15)، (16) و (17)

بدیهی است که برای اینکه فرمول بندی بالا را ساده کنیم، به بعضی روشها احتیاج داریم تا پارامترهای کارایی سیستم گوناگونی را که در توسعه تابع هدف و محدودیت‌ها استفاده شد را ارائه کنیم (یعنی، احتمال برگرداندن ، زمان انتظار صف و غیره). متأسفانه، معمولاً بیان تحلیلی کلی برای این مقادیر دردسترس نیست. این منجر به دو رویکرد ممکن می‌شود: رویکرد اول نیاز دارد که فرضیاتی ساده سازی مطمئنی را بر روی عملیات سیستم ایجاد کنیم (مانند قوانین منطقه‌ای ساده، زمان‌های سفر قابل اغماض و غیره). دومین رویکرد شامل استفاده از تکنیک‌هایی براساس توصیف است (مثل شبیه سازی) تا اندازه‌های کارایی سیستم موردنیاز را برای مقادیر خاص بردار مکان x محاسبه کنیم. علاوه بر آن می‌توان از بعضی تکنیک‌های ابتکاری استفاده کرد.
2-3- نظریه صف
انتظار در صف هر چند بسی ناخوشایند است، اما متأسفانه بخشی از واقعیت اجتناب ناپذیر زندگی را تشکیل می‌دهد. انسان‌ها در زندگی روزمره خود با انواع مختلف صف، که به از بین رفتن وقت، نیرو و سرمایه آن‌ها می‌انجامد، روبه رو می‌شوند. اوقاتی که در صف‌های اتوبوس، ناهارخوری، خرید و نظایر آن‌ها به هدر می‌رود، نمونه‌های ملموسی از این نوع اتلاف‌ها در زندگی است. در جوامع امروزی صف‌های مهمتری وجود دارد که هزینه‌های اقتصادی و اجتماعی آن‌ها به مراتب بیش از نمونه‌های ساده فوق است.
2-3-1- مشخصات صف [13]
یک مدل صف در شکل (2-1) نشان داده شده‌است. آن می‌تواند یک مدل صف مثل ترتیب ماشین آلات یا اپراتورها باشد.

شکل 2-1- مدل پایه‌ای صف
یک مدل صف بوسیله مشخصات زیر توصیف می‌شود:
فرایند رسیدن مشتریان
معمولاً فرض می‌کنیم که زمان بین رسیدن‌ها مستقل هستند و یک توزیع رایج دارند. در بسیاری از کاربردهای عملی، مشتریان باتوجه به یک جریان پواسن (یعنی زمان بین رسیدن‌ها نمایی) می‌رسند. مشتریان ممکن است یک به یک و یا به صورت دسته‌ای برسند.
رفتار مشتریان
مشتریان ممکن است صبور باشند و راضی باشند که (برای یک مدت طولانی) منتظر بمانند. یا مشتریان ممکن است کم حوصله باشند و بعد از مدتی صف را ترک کنند.
زمان‌های رسیدن
معمولاً فرض می‌کنیم که زمان‌های رسیدن مستقل هستند و به طور یکسان توزیع شده‌اند و مستقل از زمان بین رسیدن‌ها هستند. مثلاً زمان‌های رسیدن ممکن است به صورت قطعی یا نمایی توزیع شده باشد. همچنین ممکن است که زمان‌های رسیدن، وابسته به طول صف باشد.
نظم سرویس
ترتیبی که مشتریان ممکن است به صف وارد شوند به صورت‌های زیر می‌تواند باشد:
کسی که اول می‌آید، اوّل هم سرویس دهی می‌شود، مثل ترتیب رسیدن‌ها
ترتیب تصادفی
کسی که آخر می‌آید، اول سرویس دهی می‌شود.
حق تقدّم
اشتراک پردازنده (در کامپیوتر که قدرت پردازششان را در میان کل کارها در سیستم، به طور مساوی تقسیم می‌کنند).
ظرفیت سرویس
ممکن است یک سرور تک و یا گروهی از سرورها به مشتریان کمک کنند.
اتاق انتظار
ممکن است محدودیتهایی در رابطه با تعداد مشتریان در سیستم وجود داشته باشد.
یک کد سه قسمتی برای مشخص کردن این مدل‌های به صورت a/b/c استفاده می‌شود که حرف اول توزیع زمان بین رسیدن‌ها و حرف دوم توزیع زمان سرویس را مشخص می‌کند. مثلاً برای یک توزیع عمومی از حرف G و برای توزیع نمایی از حرف M (که M بیانگر فاقد حافظه بودن است) استفاده می‌شود. حرف سوم و آخر نیز تعداد سرورها را مشخص می‌کند. این نمادسازی می‌تواند با یک حرف اضافه که دیگر مدل‌های صف را پوشش دهد، گسترش یابد. مثلاً، یک سیستم با توزیع زمان بین رسیدن و زمان سرویس دهی نمایی، یک سرور و داشتن اتاق انتظار فقط برای N مشتری (شامل یکی در سرویس) بوسیله چهار کد حرفی M/M/1/N نشان داده می‌شود.
در این مدل پایه، مشتریان یک به یک می‌رسند و همیشه اجازه ورود به سیستم را دارند، همیشه اتاق وجود دارد، هیچ حق تقدّمی وجود ندارد و مشتریان به ترتیب رسیدن سرویس دهی می‌شوند.
در یک سیستم G/G/1 با نرخ رسیدن و میانگین زمان سرویس ، مقدار کار که در واحد زمان می‌رسد برابر است. یک سرور می‌تواند به یک کار در واحد زمان رسیدگی کند. برای جلوگیری از اینکه طول صف بینهایت نشود، باید .
معمولاً از نماد زیر استفاده می‌کنند:

اگر ، نرخ اشتغال یا بکارگیری سرور نامیده می‌شود، چون کسری از زمان است که سرور، مشغول کارکردن است.
2-3-2- قانون لیتِل [13]
اگر E(L)، میانگین تعداد مشتریان در سیستم، E(S)، میانگین زمان اقامت مشتری در سیستم باشد و ، متوسط تعداد مشتریانی باشد که در واحد زمان وارد سیستم می‌شوند، قانون لیتِل، رابطه بسیار مهمی را بین این سه نماد می‌دهد و به صورت زیر بیان می‌شود:
(19.2)در اینجا فرض می‌شود که ظرفیت سیستم برای رسیدگی به مشتریان کافی است (یعنی، تعداد مشتریان در سیستم به سمت بینهایت میل نمی‌کند).
به طور حسی، این نتیجه می‌تواند به صورت زیر فهمیده شود: فرض کنید که مشتریان هنگامی‌که به سیستم وارد می‌شوند، یک دلار در واحد زمان می‌پردازند. این پول می‌تواند به دو روش گرفته شود. روش اول اینکه به مشتریان اجازه دهیم که به طور پیوسته در واحد زمان بپردازند. پس متوسط درآمدی که توسط سیستم کسب می‌شود، برابر E(L) دلار در واحد زمان است. روش دوم این است که به مشتریان اجازه دهیم که برای اقامتشان در سیستم، 1 دلار را در واحد زمان در موقع ترک سیستم بپردازند. در موازنه، متوسط تعداد مشتریانی که در واحد زمان، سیستم را ترک می‌کنند برابر متوسط تعداد مشتریانی است که به سیستم وارد می‌شوند. بنابراین سیستم، یک متوسط درآمد دلار را در واحد زمان کسب می‌کند.
با به کار بردن قانون لیتِل در صف، رابطه‌ای بین طول صف، و زمان انتظار W به دست می‌آید:
(20.2)
2-3-3- صف M/M/1


این مدل، حالتی را درنظر می‌گیرد که زمان بین رسیدن‌ها، نمایی با میانگین ، زمان‌های سرویس، نمایی با میانگین و یک سرور مشغول کار است. مشتریان به ترتیب رسیدن، سرویس دهی می‌شوند. ما نیاز داریم که:
(21.2)درغیراینصورت، طول صف منفجر خواهد شد (قسمت قبل را ببینید). مقدار ، کسری از زمان است که سرور، مشغول کار است.
میانگین تعداد مشتریان در سیستم و همچنین میانگین زمانی که در سیستم گذرانده می‌شوند به صورت زیر بیان می‌شود:
(22.2)
و با استفاده از قانون لیتِل،
(23.2)
میانگین تعداد مشتریان در صف، ، می‌تواند از E(L) و با کم کردن میانگین تعداد مشتریان در سیستم بدست آید:
(24.2)
میانگین زمان انتظار، E(W)، از E(S) و با کم کردن میانگین زمان سرویس بدست می‌آید:
(25.2)
2-4- مسائل بهینه سازی چندهدفه
بسیاری از مسائل کاربردی در جهان واقعی را مسائل بهینه سازی ترکیباتی چندهدفه تشکیل می‌دهند، زیرا متغیر‌های مجزا و اهداف متضاد به طور واقعی در ذات آنها است. بهینه سازی مسائل چندهدفه نسبت به مسائل تک هدفه متفاوت بوده، زیرا شامل چندین هدف است که باید در بهینه‌سازی به همه اهداف همزمان توجه شود. به عبارت دیگر الگوریتم‌های بهینه سازی تک هدفه، حل بهینه را با توجه به یک هدف می یابند و این در حالی است که در مسائل چندهدفه (با چندهدف مخالف و متضاد) معمولاً یک حل بهینه مجزا را نمی توان بدست آورد. بنابراین طبیعی است که مجموعه ای از حل‌ها برای این دسته از مسائل موجود بوده و تصمیم گیرنده نیاز داشته باشد که حلّی مناسب را از بین این مجموعه حل‌های متناهی انتخاب کند و در نتیجه حل مناسب، جواب‌هایی خواهد بود که عملکرد قابل قبولی را نسبت به همه اهداف داشته باشد.
2-4-1- فرمول بندی مسائل بهینه سازی چندهدفه
مسائل بهینه سازی چندهدفه را به طور کلی می‌توان به صورت زیر فرموله کرد:
(26.2)

x یک حل است و S مجموعه حل‌های قابل قبول و k تعداد اهداف در مسأله و F(x) هم تصویر حل x در فضای k هدفی و هم مقدار هر یک از اهداف است.
تعریف حل‌های غیرمغلوب: حل a حل b را پوشش می‌دهد، اگر و تنها اگر:
(27.2)
(28.2)
به عبارت دیگر، حل‌های غیرمغلوب، به حل‌های گفته می‌شود که حل‌های دیگر را پوشش داده ولی خود، توسط حل‌های دیگر پوشش داده نمی‌شوند. در شکل (2-2) چگونگی پوشش سایر حل‌ها (دایره‌های با رنگ روشن) توسط مجموعه حل‌های غیرمغلوب (دایره‌های تیره رنگ) نشان داده شده‌است. در این شکل، جبهه‌ی پارتو با خط چین نشان داده شده‌است.
هدف B
هدف A
هدف B
هدف A

شکل 2-2- مجموعه حل‌های غیرمغلوب
2-4-2- الگوریتم‌های تکاملی برای بهینه سازی مسائل چندهدفه بر مبنای الگوریتم ژنتیک
با توجه به آنکه بسیاری از مسائل بهینه سازی، NP-Hard هستند، بنابراین حل به روش‌های دقیق در یک زمان معقول غیرممکن بوده و در نتیجه، استفاده از روش‌های فراابتکاری در این موارد مناسب می باشد. درحقیقت الگوریتم‌های فراابتکاری برای زمانی که محدودیت زمانی وجود دارد و استفاده از روش‌های حل دقیق میسّر نبوده و یا پیچیدگی مسائل بهینه سازی زیاد باشد، به دنبال جواب‌های قابل قبول هستند.
اولین پیاده سازی واقعی از الگوریتم‌های تکاملی، «الگوریتم ژنتیک ارزیابی برداری» توسط دیوید اسکافر در سال 1984 انجام گرفت. اسکافر الگوریتم را به سه بخش انتخاب، ترکیب و جهش که به طور جداگانه در هر تکرار انجام می‌شدند، تغییر داد. این الگوریتم به صورت کارآمدی اجرا می‌شود، اما در برخی از حالات مانند اریب بودن اهداف، با مشکل مواجه می‌شود. درواقع هدف اول الگوریتم‌های بهینه یابی چندهدفه، یعنی رسیدن به جواب‌های بهینه پارتو، به نحو شایسته‌ای توسط این الگوریتم بدست می‌آید، ولی جواب‌های بدست آمده از گستردگی و تنوع خوبی برخوردار نیستند.
در ادامه این قسمت، به سه الگوریتم تکاملی چند هدفه که مبنای اصلی آنها، الگوریتم ژنتیک می‌باشد، می‌پردازیم. الگوریتم NSGA-II به این خاطر انتخاب شده‌است که این الگوریتم در بسیاری از مقالات به عنوان الگوریتم مرجع مقایسه گردیده‌است. الگوریتم CNSGA-II نیز به این علت انتخاب شده‌است که روشی مناسب برای برخورد با محدودیت‌های حل مسأله ارائه می‌کند؛ چون باتوجه به ماهیت مسأله، چندین محدودیت سر راه حل مسأله ایجاد شده‌است که راهکار مناسبی برای رسیدگی به این محدودیت‌ها ایجاب می‌کند. الگوریتم NRGA نیز چون جزء جدیدترین الگوریتم‌های ارائه شده در زمینه بهینه سازی چندهدفه می‌باشد مورداستفاده قرار گرفته‌است.
2-4-2-1- الگوریتم ژنتیک مرتب سازی نامغلوب
دب و همکارانش [14]، یک نخبه گرایی دسته بندی یا مرتب سازی نامغلوب را در الگوریتم‌های ژنتیک پیشنهاد دادند. در اغلب مواقع، این الگوریتم شباهتی به NSGA ندارد، ولی مبتکران نام NSGA-II را به دلیل نقطه پیدایش آن، یعنی همان NSGA، برای آن حفظ کردند.
در این روش، ابتدا جمعیت فرزندان، ، با استفاده از جمعیت والدین، ، ساخته می‌شود. در اینجا به جای پیدا کردن جواب‌های نامغلوب از ، ابتدا دو جمعیت با یکدیگر ترکیب شده و جمعیت با اندازه 2N را ایجاد می‌کنند. سپس از یک مرتب سازی نامغلوب برای دسته بندی تمام جمعیت استفاده می‌شود، البته این مرتب سازی، نسبت به مرتب سازی بر روی ، به تعداد مقایسه بیشتری نیاز دارد. در این شیوه، یک مقایسه عمومی در بین اعضای که مجموع دو جمعیت فرزندان و والدین است، انجام می‌شود و پس از ایجاد صف‌های متفاوت نامغلوب، به ترتیب اولویت (اولویت صفها نسبت به هم) جمعیت بعدی، یکی یکی از این صف‌ها پر می‌شود. پر کردن جمعیت ، با بهترین صف نامغلوب شروع شده و سپس به ترتیب با دومین صف نامغلوب و همین طور سومین و الی آخر، تا زمانی که پر شود، ادامه می‌یابد. از آنجا که اندازه برابر 2N است، تمام اعضای آن ممکن است نتوانند در قرارگیرند و به راحتی جواب‌های باقیمانده را حذف خواهیم کرد. شکل (2-3) نحوه عمل الگوریتم NSGA II را نمایش می‌دهد.

شکل 2-3- نمایشی از نحوه عملکرد NSGA-II
درمورد جواب‌هایی که در صف آخر با استفاده از عملگر نخبه گرایی ازبین می‌روند، باید مهارت بیشتری به کار برده و جواب‌هایی که در ناحیه ازدحام کمتری قراردارند را حفظ کرد. درواقع برای رعایت اصل چگالی در بین جواب‌ها، جواب‌هایی که در ناحیه ازدحامی کوچکتری هستند، برای پر کردن ، در اولویت قرار دارند.
یک استراتژی شبیه بالا در پیشرفت مراحل اولیه از تکامل الگوریتم، تأثیر زیادی نخواهد داشت، چرا که اولویت‌های زیادی در جمعیت ترکیب شده از فرزندان و والدین وجود دارد. احتمالاً جواب‌های نامغلوب زیادی وجود دارند که آماده قرارگرفتن در جمعیت قبل از آن که اندازه‌اش از N تجاوز کند، می‌باشند. یک مسأله مهم و در عین حال سخت این است که مابقی جمعیت چگونه باید پر شود؟ اگرچه درخلال مراحل بعدی شبیه سازی الگوریتم، احتمالاً بیشتر جواب‌های موجود در جمعیت با اندازه 2N، در رده جواب‌هایی با بهترین درجه نامغلوب بودن قرار می‌گیرند و تعداد آن‌ها از N متجاوز خواهد شد، اما الگوریتم بالا با یک راهکار موقعیتی انتخاب، وجود مجموعه متنوعی از جواب‌ها در جمعیت را تضمین می‌کند. با چنین راهکاری، یعنی زمانی که به‌نحوی تمام ناحیه بهینه پارتو توسط جمعیت پوشانده می‌شود، در ادامه الگوریتم، جواب‌های گسترده تری را در فضای جواب فراهم خواهدآورد.
در ادامه، الگوریتم NSGA-II را به اختصار آورده ایم [15]:
گام 1: جمعیت فرزندان و والدین را با یکدیگر ترکیب کرده و را می‌سازیم:

جمعیت حاصل را با استفاده از یک مرتب سازی نامغلوب به صفوف دسته بندی می‌کنیم.
گام 2: قرارمی‌دهیم، i=1، سپس تا زمانی که ، عملیات زیر را تکرار می‌کنیم:

گام 3: روال مرتب سازی ازدحام را اجرا کرده و با استفاده از مفهوم فاصله ازدحام، ارزشهای متفاوتی را برای از جواب‌های تعیین می‌کنیم.
گام 4: جمعیت فرزندان را از با استفاده از یک الگوریتم انتخاب مسابقه‌ای ازدحام و عملگرهای ترکیب و جهش ایجاد می‌کنیم.
گام سوم از الگوریتم بالا، مرتب سازی برحسب ازدحام جواب‌ها در صف i (منظور آخرین صفی است که احتمالاً برخی از جواب‌های موجود در آن نتوانسته‌اند در جمعیت قرار گیرند)، با بکارگیری مفهوم فاصله ازدحام انجام می‌شود. بنابراین، جمعیت به صورت نزولی تحت میزان بزرگی ارزش فاصله ازدحام مرتب شده و در گام چهارم یک عملگر انتخاب مسابقه‌ای ازدحام که مبنای مقایسه آن همان فاصله ازدحام است بکار برده می‌شود. لازم به ذکر است، مرتب سازی نامغلوب واقع در گام اول می‌تواند به همراه عمل پر کردن جمعیت به صورت موازی انجام شود. درواقع هر بار که یک صف نامغلوب، پیدا شده و تست می‌شود که ازنظر اندازه می‌تواند به جمعیت اضافه شود یا نه، درصورتی که نتواند، دیگر نیازی نیست که مرتب سازی بیشتری انجام دهیم. این موضوع، به کاهش زمان اجرا الگوریتم کمک می‌کند.
2-4-2-2- الگوریتم NSGA-II محدود شده
اگر در حین حل مسأله‌ای که باید حل شود، حل‌هایی ایجاد شود که با محدودیت‌های مسأله مغایرت داشته باشد و آن‌ها را نقض کند و درنتیجه غیرقابل قبول باشد، چگونه باید با این موضوع برخورد کرد؟ روش‌های مختلفی برای مقابله با این موضوع وجود دارد که از جمله آن‌ها می‌توان به توابع جریمه و یا نادیده گرفتن و حذف حل غیرقابل قبول ایجاد شده اشاره کرد.
الگوریتم CNSGA-II، همانند الگوریتم NSGA-II عمل می‌کند، تنها با این تفاوت که برای رسیدگی به محدودیت‌ها، روشی را برمی‌گزیند که براساس مفهوم غلبه و امتیازدهی عمل می‌کند [14].
این روش که به محدودیت رسیدگی می‌کند، از انتخاب تورنمنت دودویی استفاده می‌کند که دو حل از جمعیت، انتخاب و حل بهتر انتخاب می‌شود. باتوجه به محدودیتها، هر حل می‌تواند یا قابل قبول و یا غیرقابل قبول باشد. بنابراین، ممکن است حداکثر سه وضعیت به وجود آید:
هرد و حل قابل قبول باشند؛
یکی از حل‌ها قابل قبول و دیگری غیرقابل قبول باشد؛
هر دو حل غیر قابل قبول باشند.
برای مسائل بهینه سازی تک هدفه، از یک قانون ساده برای هر مورد استفاده می‌کنیم:
مورد 1) حلی که تابع هدف بهتری دارد را انتخاب می‌کنیم.
مورد 2) حل قابل قبول را انتخاب می‌کنیم.
مورد 3) حلی که کمترین انحراف از محدودیت‌ها را دارد انتخاب می‌کنیم. باتوجه به اینکه در هیچدام از موارد، اندازه تابع هدف و محدودیت‌ها با یکدیگر مقایسه نشده‌اند، هیچ نیازی به داشتن پارامترهای جریمه نیست، این موضوعی است که این رویکرد را مفید و جذاب کرده‌است.
درمورد مسائل بهینه سازی چندهدفه، دو مورد آخر می‌تواند همانطور که هستند استفاده شوند و مورد اول نیز می‌تواند با استفاده از اپراتور مقایسه ازدحام، حل شود. برای مقایسه کردن در این الگوریتم، تعریف «غلبه» را بین دو حل i و j تعریف می‌کنیم.
تعریف 1) حل i اگر یکی از وضعیت‌های زیر درست باشد، گفته می‌شود که از لحاظ محدودیت بر حل j غلبه دارد:
حل i قابل قبول است ولی حل j نیست.
حل i و j هر دو غیر قابل قبول می‌باشند، اما حل i انحراف از محدودیت کمتری دارد.
حل i و j قابل قبول هستند و حل i، حل j را مغلوب می‌کند.
اثر استفاده از مفهوم غلبه محدودیت این است که، هر حل قابل قبول، رتبه غیرمغلوبی بهتری از هر حل غیرقابل قبول دارد. همه حل‌های قابل قبول، باتوجه به سطح غلبه شان و براساس مقادیر توابع هدفشان رتبه بندی می‌شوند. به هر حال، از بین دو حل غیر قابل قبول، حلی که کمترین انحراف از محدودیت را دارد، دارای رتبه بهتری است. به هر حال، این اصلاح، در مفهوم غلبه، تغییری در پیچیدگی NSGA-II ندارد. بقیه فرایند CNSGA-II، همانطور که قبلاً درمورد NSGA-II توضیح داده شد، اجرا می‌شود.
2-4-2-3- الگوریتم ژنتیک رتبه بندی نامغلوب
این الگوریتم که توسط الجدان و همکارانش [16] ارائه شده، الگوریتم انتخاب چرخ رولت رتبه‌بندی شده را با الگوریتم رتبه بندی جمعیت برمبنای پارتو ترکیب می‌کند. در این الگوریتم از الگوریتم انتخاب چرخ رولتی استفاده شده‌است که به هر عضو، یک اندازه برازش برابر با رتبه اش در جمعیت، تخصیص می‌دهد؛ بالاترین رتبه، بیشترین احتمال را دارد که انتخاب شود (درمورد ماکزیمم سازی).
این احتمال به صورت معادله زیر محاسبه می‌شود:
(29.2)
که N، تعداد اعضاء این جمعیت است. در این الگوریتم، اعضاء در یک جبهه، براساس فاصله ازدحامشان و جبهه ها براساس رتبه غلبه شان رتبه می‌گیرند.
الگوریتم NRGA، همان طور که سودوکد آن را در شکل (2-4) مشاهده می کنید، به این صورت است که ابتدا، یک جمعیت تصادفی والدین، P، ایجاد می‌شود. مرتب کردن جمعیت براساس غلبه است. به هر حل، برازشی (یا رتبه ای) برابر سطح غلبه اش، تخصیص داده می‌شود (1 برای بهترین سطح، 2 برای سطح بعدی و الی آخر).
Initialize Population P

user8325

(الف) (ب)
شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 1:الف، تیر به طول با یک ترک به عمق در موقعیت نشان داده شده .ب)همان تیر با فنر پیچشی جایگزین ترک با سفتی
معادلات ارتعاش آزاددر این قسمت به بررسی معادلات حرکت و شرایط پیوستگی با استفاده از تئوری های اویلر- برنولی و تیموشنکو برای تیر ترکدار با مدل سازی بیان شده می پردازیم.
تئوری اویلر - برنولیتیری به طول l و ارتفاع h و ضخامت b و ترکی به طول دهانه do و عمق hc در موقعیت نشان داده شده، مانند شکل 2-2 در نظر بگیرید. همان طور که قبلا بیان شد قسمت ترکدار تیر را با یک تیر که ممان اینرسی متفاوتی نسبت به مقاطع بدون ترک دارد، مدل سازی می کنیم. معادلات حرکت با فرض تئوری اویلر- برنولی برای هر قسمت تیر به صورت زیر است:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 2: تیر ترکدار به طول L ، ارتفاع h، عمق ترک hc و طول دهانه doبرای قسمت ابتدایی تیر یعنی از ابتدای تیر تا ابتدای ترک:

(2-1)
با معرفی پارامترهای بی بعد و روش جداسازی متغیرها، معادله حرکت و شکل مد قسمت اول برابر است با:
(2-2)
(2-3)
(2-4)
برای قسمت ترکدار تیر، معادلات حرکت به صورت زیر است:

(2-5)
با معرفی پارامترهای بی بعد و روش جداسازی متغیرها، معادله حرکت و شکل مد قسمت دوم برابر است با:
(6-2)
(7-2)
(8-2)
برای قسمت انتهایی تیر یعنی از انتهای ترک تا انتهای تیر:
(2-9)
(2-10)
با معرفی پارامترهای بی بعد و روش جداسازی متغیرها معادله حرکت و شکل مد قسمت سوم برابر است با:
(2-11)
(2-12)
(2-13)
پارامترهای بی بعد برای پیدا کردن فرکانس طبیعی برای هر قسمت تیر برابر است با:
(2-14)
با توجه به برابر بودن فرکانس طبیعی برای تیر، رابطه بین پارامترهای بی بعدو برابر است با:
(2-15)
(2-16)
(2-17)
گشتاور خمشی و نیروی برشی طبق تئوری اویلر – برنولی اینگونه تعریف می شود:
(2-18) EId2wdx2:خمشی گشتاور (2-19) EId3wdx3 : برشی نیروی شرایط پیوستگی در دو سمت ترک به ترتیب از برابری جابجایی، شیب، گشتاور خمشی و نیروی برشی بدست می آید:
برابری جابجایی:
(2-20)
برابری شیب:
(2-21)
برابری گشتاور خمشی:
(2-22)
برابری نیروی برشی:
(2-23)
که برای تیر با یک ترک خواهد بود.
با اعمال شرایط پیوستگی 8 ثابت از 12 ثابت موجود محاسبه می شود، 4 ثابت باقیمانده از شرط مرزی ابتدا و انتهای تیر بدست می آید. در قسمت بعد مسئله را برای شرایط مرزی مختلف بررسی می کنیم.
تیر دو سر گیردارتیر دو سرگیردار با یک ترک، در موقعیت نشان داده شده، مانند شکل2-3 در نظر می گیریم:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 3 تیر دو سر گیر داربرای پیدا کردن فرکانس طبیعی و ثابت های مجهول، ماتریس ضرایب را با استفاده از شرایط مرزی و شرایط پیوستگی بدست می آوریم. برای تیر دو سرگیردار در ابتدا و انتهای تیر، جابجایی و شیب برابر صفر می باشد.
شرط مرزی ابتدای تیر :
(2-24)
(2-25)
(2-26)
با اعمال شرایط پیوستگی در دو طرف ترک و استفاده از روابط (2-20) تا (2-23)، در سمت چپ ترک، یعنی در موقعیت خواهیم داشت:
برابری جابجایی:
(2-27)
برابری شیب:
(2-28)
برابری گشتاور خمشی:
(2-29)
برابری نیروی برشی:
(2-30)
در سمت راست ترک، یعنی در موقعیت نیز روابط زیر را خواهیم داشت:
برابری جابجایی:
(2-31)
برابری شیب:
(2-32)
برابری گشتاور خمشی:
(2-33)
برابری نیروی برشی:
(2-34)
برای قسمت انتهایی تیر، یعنی خواهیم داشت:
(2-35)
(2-36)
بنابراین ماتریس ضرایب عبارتند از:

معادله فرکانسی، همان دترمینان ماتریس ضرایب می باشد و از برابر صفر قرار دادن دترمینان ماتریس ضرایب و جایگذاری روابط بین و فرکانس طبیعی بدست خواهد آمد.
برای سایر شرایط مرزی تنها شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر، یعنی دو سطر اول و دو سطر آخر در ماتریس ضرایب تغییر خواهد کرد.
تیر یک سر گیردار- یک سر آزادبرای تیر یکسر گیردار مانند شکل 2-4 شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر به صورت زیر خواهد بود:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 4: تیر یک سر گیر دار – یک سر آزاددر ابتدای گیردار مانند معادلات (2-25) و (2-26)، جابجایی و شیب برابر صفر است، و در انتهای آزاد نیز گشتاور خمشی و نیروی برشی برابر صفر می باشد.
(2-37)
(2-38)
تیر دو سرلولابرای دو سرلولا، مانند شکل 2-5 شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر به صورت زیر خواهد بود:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 5 تیر دو سر لولادر ابتدای تیر، جابجایی طبق معادله (2-25) و گشتاور خمشی برابر صفر است:
(2-39)
در انتهای تیر، جابجایی طبق معادله (2-35) و گشتاور خمشی با معادله (2-37)، برابر صفر است.
تیر گیردار- مفصل برشیبرای تیر گیردار- مفصل برشی مانند شکل 2-6 شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر به صورت زیر خواهد بود:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 6: تیر گیردار – مفصل برشی (در مفصل برشی، شیب و نیروی برشی صفر است.)در ابتدای گیردار، جابجایی و شیب، مانند معادلات (2-25) و (2-26) برابر صفر است. در انتهای مفصل برشی، شیب و نیروی برشی برابر صفر است:
(2-40)
(2-41)
در فصل بعد به ارائه نتایج با تغییر پارامترهای موثر و مختلف ترک و مقایسه آنها با یکدیگر می پردازیم.
تئوری تیموشنکودر این قسمت با استفاده از همان مدل سازی قبلی، به بررسی معادلات حرکت و بررسی شرایط مرزی مختلف با استفاده از تئوری تیموشنکو می پردازیم. تفاوت این قسمت با قسمت قبلی این است که در تئوری تیموشنکو، معادلات حرکت و تعاریف مربوط به شیب، گشتاور خمشی و نیروی برشی متفاوت است. روند کار مشابه قسمت قبل است یعنی با استفاده از دترمینان ماتریس ضرایب و معادله فرکانسی، فرکانس های طبیعی بدست می آید. به دلیل آنکه در تئوری تیموشنکو، اثر تغییر شکل برشی و تنش برشی در نظر گرفته می شود، فرکانس طبیعی بدست آمده از تئوری اویلر – برنولی کمتر است.
معادله یک تیر تیموشنکو به صورت زیر است[70]:
(2-42)
(2-43)
با شرایط در نظر گرفته شده مانند شکل 1، به دلیل آنکه صلبیت خمشیEI برای هر قسمت تیر ثابت است، معادله بالا، به شکل زیر خواهد بود:
(2-44)
(2-45)
که در رابطه بالا k، تعداد ترک و i مربوط به هر قسمت تیر می باشد.
با معرفی پارامترهای بی بعد زیر و استفاده از معادلات بالا، به پیدا کردن X, ϕ, ω می پردازیم:
(2-46)
(2-47)
(2-48)
(2-49)
(2-50)
(2-51)
(2-52)
با در نظر گرفتن یک حل پریودیک و روش جداسازی متغیرها و استفاده از دو معادله آخر داریم:
(2-53)
(2-54)
(2-55)
از معادله فوق نسبت به پارامتر بی بعد ξ، مشتق می گیریم:
(2-56)
مقدار را از معادله (2-54)، در معادله (2-56) جایگذاری می کنیم:
(2-57)
با مرتب کردن جملات معادله فوق، به معادله دیفرانسیل مرتبه 4، بر حسب X می رسیم:
(2-58)
با در نظر گرفتن یک حل به صورت زیر، معادله دیفرانسیل مرتبه 4 بالا را حل می کنیم:
(2-59)
(2-60)
(2-75)
(2-61)
(2-62)
همان طور که نشان داده شد عبارت زیر رادیکال، همواره مثبت است؛ با فرض آنکه
(2-63)
بنابراین، جواب های بدست آمده برای λ2 به ترتیب مثبت و منفی می باشد، که جواب های مثبت به صورت هیپربولیکی و جواب های منفی به صورت سینوسی و کسینوسی نمایش داده می شود.
(2-64)
(2-65)
بنابراین :
(2-66)
اندیس i، پاسخ مربوط به هر قسمت تیر می باشد.
با توجه به معادله و جایگذاری Χ بدست آمده از معادله قبلی و انتگرال گیری بر حسب ξ، رابطه ϕ اینگونه بدست می آید:
(2-67)
(2-68)
همان طور که قبلا بیان کردیم، رابطه گشتاور خمشی و نیروی برشی در تئوری تیموشنکو و اویلر – برنولی با یکدیگر متفاوت است. نیروی برشی و گشتاور خمشی برای هر قسمت تیر، در تئوری تیموشنکو به صورت زیر تعریف می شود:
(2-69) kAiGdXidξ-Φi→برشی نیروی (2-70) EIidΦidξ→خمشی گشتاور شرط پیوستگی در موقعیت ترک از نظر مفهوم، همان برابری جابجایی، شیب، گشتاور و نیروی برشی است، تنها تعاریف و روابط مربوط به آنها تغییر می کند.
شرایط پیوستگی در موقعیت ترک برابر است با:
برابری جابجایی:
(2-71)

برابری شیب:
(2-72)

برابری گشتاور خمشی:
(2-73)

برابری نیروی برشی:
(2-74)

که برای تیر با یک ترک می باشد.
در ماتریس ضرایب، جملات مربوط به شرایط پیوستگی برای هر شرط مرزی ثابت بوده، و تنها شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر تغییر می کند.
تیر دو سر گیرداربرای مثال تیر ترکدار دو سرگیردار مانند شکل 2-3 را در نظر بگیرید، در ابتدای گیردار جابجایی و شیب صفر است:
(2-75)
(2-76)
در انتهای گیردار نیز، جابجایی و شیب صفر است:
(2-77)
(2-78)

بنابراین ماتریس ضرایب برای تیر دو سر گیردار به صورت زیر است:

که از حل دترمینان ماتریس فوق برابر صفر، فرکانس های طبیعی سیستم بدست می آید. در ادامه به بررسی سایر شرایط مرزی می پردازیم، و در فصل بعد نتایج مربوط به آنها را نمایش خواهیم داد.
تیر یک سر گیردار -یک سر آزاد
تیر یک سر گیردار – یک سر آزاد مانند شکل 2-4 را در نظر می گیریم، شرایط پیوستگی مربوط به دو طرف ترک مانند تیر دو سرگیردار تغییری نمی کند، و تنها شرایط مرزی ابتدا و انتهای تیر در ماتریس ضرایب تغییر خواهد کرد. در ابتدای گیردار، جابجایی و شیب صفر است که همان معادلات (2-75) و (2-76) می باشد، اما در انتهای آزاد، گشتاور و نیروی برشی، صفر خواهد بود:
(2-79)
(2-80)
تیر دو سرلولابرای تیر دو سرلولا مانند شکل 2-5، در ابتدا و انتهای تیر، جابجایی و گشتاور خمشی برابر صفر است. معادلات مربوط به جابجایی، معادلات (2-75) و (2-77) بوده و معادلات مربوط به گشتاور، معادلات زیر می باشند:
(2-81)
(2-82)
تیر گیردار- مفصل برشیبرای تیر گیردار- مفصل برشی مانند شکل 2-6، شرط مرزی ابتدای تیر، معادلات (2-75) و (2-76) بوده و شرط مرزی انتهای تیر بدین صورت خواهد بود که در مفصل برشی، شیب و نیروی برشی برابر صفر است:
(2-83)
(2-84)
در فصل بعد به ارائه نتایج مربوط به این مدل سازی با تغییر در پارامترهای موثر و مختلف ترک پرداخته و آنها را با یکدیگر مقایسه می کنیم.
در ادامه این فصل به بررسی و مدل سازی تیر ترکدار با شکل های هندسی مختلف ترک می پردازیم:
بررسی تیر شامل چند ترکدر قسمت های قبلی، تیر بررسی شده شامل یک ترک بود، در این قسمت با همان مدل سازی، یک تیر شامل چند ترک را مورد بررسی قرار می دهیم. شکل2-7 یک تیر با دو ترک و شکل2-8 یک تیر با سه ترک را نشان می دهد. با فرض اینکه ترک از نوع باز (open crack) بوده و با استفاده از مدل سازی انجام شده در بخش قبل، هر ترک را با به صورت یک تیر با گشتاور دوم سطح متفاوت مدل سازی می کنیم. تنها تفاوت این بخش با بخش قبلی، بیشتر شدن تعداد ثابت ها و معادلات مربوط به شرایط پیوستگی می باشد. معادلات حاکم و شرایط پیوستگی، برای هر تئوری همان معادلات قبلی برای هر قسمت تیر می باشد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 7 : تیر به طول ,شامل دو ترک به عمق وارتفاعو طول دهانه ترک

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 8 تیر به طول ,شامل سه ترک به عمقوارتفاعو طول دهانه ترک
تئوری اویلر- برنولیبرای تئوری اویلر – برنولی، معادلات را با رابطه کلی، به صورت اندیس دار به شکل زیر می توان نشان داد، (با فرض آنکه، عمق همه ترک ها با یکدیگر برابر باشد):
برای قسمت های بدون ترک :
(2-85)
(2-86)
(2-87)
(2-88)
تعداد ترک می باشد.
برای قسمت های ترکدار:
(2-89)
(2-90)
(2-91)
شرایط پیوستگی در دو طرف ترک، همان برابری جابجایی، شیب، گشتاور و نیروی برشی می باشد.
برای سمت چپ ترک:
(2-92)
(2-93)
(2-94)
(2-95)

برای سمت راست ترک:
(2-96)
(2-97)
(2-98)
(2-99)
(2-100)
تئوری تیموشنکوبرای تئوری تیموشنکو نیز مانند معادلات اویلر – برنولی، معادلات را با رابطه کلی، به صورت اندیس دار با فرض آنکه، عمق همه ترک ها با یکدیگر برابر باشد به صورت زیر می توان نشان داد:
برای قسمت های بدون ترک:

(2-101)
(2-102)
(2-103)
تعداد ترک می باشد
برای قسمت های ترکدار:

(2-104)
(2-105)
(2-106)
شرایط پیوستگی در دو طرف ترک، همان برابری جابجایی، شیب، گشتاور و نیروی برشی می باشد.
برای سمت چپ ترک:
(2-107)
(2-108)
(2-109)
(2-110)

برای سمت راست ترک:
(2-111)
(2-112)
(2-113)
(2-114)
(2-115)
در فصل بعد، به ارائه نتایج برای تیر شامل دو و سه ترک، طبق تئوری اویلر – برنولی و تیموشنکو می پردازیم.
ترک با شکل های هندسی مختلف:در قسمت قبل، به مدل سازی تیر ترکدار با ترک مستطیلی، با فرض باز بودن ترک پرداختیم. در این قسمت برای ترک، شکل های هندسی مختلف فرض شده است؛ مانند ترک مثلثی، بیضوی و سهموی. هدف این قسمت آن است که نشان دهیم با ارائه همان مدل می توانیم ترک های با شکل های هندسی مختلف را نیز مدل سازی کرده و نتایج را بدست آوریم. با توجه به مدل سازی صورت گرفته، که ترک را با یک المان تیر، که گشتاور دوم سطح متفاوت دارد، مدل کرده بودیم، در این قسمت با همان مدل سازی به بررسی ترک با شکل های بیان شده می پردازیم. نکته مهم در مورد این ترک ها، این است که گشتاور دوم سطح آنها مانند ترک مستطیلی در طول ترک ثابت نمی باشد. یعنی با توجه به موقعیت در طول ترک، گشتاور دوم سطح آنها نسبت به موقعیت قبلی، ثابت نیست. در ناحیه ترکدار، رابطه برای ارتعاش آزاد تیر صادق است. به دلیل ثابت نبودن برای این معادله حل تحلیلی وجود ندارد. بنابراین باید از روش های تقریبی یا نیمه تحلیلی استفاده کرد. با استفاده از روش گالرکین و روش متعامدسازی ابتدا ماتریس های جرمی و سفتی را بدست آورده و با استفاده از مقادیر ویژه این دو ماتریس، فرکانس طبیعی تیر را بدست می آوریم. تئوری استفاده شده در این قسمت، تئوری اویلر – برنولی می باشد، ضمن اینکه در روش گالرکین نیاز به استفاده از یک تابع برای شکل مد است که شرایط مرزی هندسی را برآورده کند. برای بدست آوردن این تابع شکل مد، از شکل مد تیر سالم برای هر شرط مرزی استفاده می کنیم.
حل ارتعاش آزاد برای یک تیر با استفاده از تئوری اویلر– برنولی به صورت زیر است:
(2-116)
با استفاده از روش متعامد سازی:
(2-117)
با جایگذاری در معادله فوق خواهیم داشت:
(2-118)
با دو بار انتگرال گیری جز به جز، جمله اول معادله فوق به معادله زیر تبدیل می شود:
(2-119)
بنابراین خواهیم داشت:
(2-120)
در بازه انتگرال گیری اول ، و سوم، ، به دلیل ثابت بودن مقطع، عبارت نیز ثابت می باشد، اما در بازه، به دلیل وجود ترک با شکل هندسی بیان شده عبارات تابعی از می باشد.
بنابراین :
(2-121)
معادله در ناحیه ترکدار با توجه به هندسه ترک و تابع با توجه به شرط مرزی تیر مشخص خواهد شد، که با جایگذاری در معادله قبلی، در نهایت به فرم زیر می رسیم:
(2-122)
که مقادیر ویژه ماتریس فوق، فرکانس طبیعی تیر را نتیجه می دهد.
در ادامه شکل های هندسی مختلف ترک، بررسی شده و روابط حاکم بر را نشان می دهیم. اما عبارت کلی در ناحیه ترکدار این گونه خواهد بود:
برای ترک دو طرفه:
(2-123)
(2-124)
برای ترک یک طرفه:
(2-125)
(2-126)
ترک مثلثی شکل
برای ترک مثلثی مانند شکل2-9 ناحیه ترکدار را به صورت زیر تقسیم بندی کرده و در هر قسمت رابطه مربوط به آن را در نظر می گیریم:

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 9 : تیر به طول ,و ارتفاع ، شامل یک ترک مثلثی به عمق و طول دهانه ترک
(2-127)
(2-128)
ترک بیضی شکل
معادله یک بیضی به مرکز و قطرهای برابر است با:
(2-129)
ترک نشان داده شده در شکل 2-10 به مرکز و قطرهای می باشد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 10 : تیر به طول ,و ارتفاع ، شامل یک ترک بیضوی به عمق و طول دهانه ترک
معادله این ترک به صورت زیر است:
(2-130)
لازم به ذکر است به دلیل آنکه نیمه پایینی ترک، مد نظر می باشد از علامت منفی در پشت رادیکال استفاده شده است.
ترک سهمی شکل
معادله یک سهمی عمودی، که راس آن در نقطه و فاصله راس تا کانون آن a باشد، به صورت زیر است:
(2-131)
اگر سهمی، ماکسیمم داشته باشد، علامت آن مثبت، و اگر مینیمم داشته باشد علامت آن منفی می باشد.
معادله یک سهمی عمودی، مانند شکل 2-11 که راس آن در نقطه و با فرض آنکه کانون این سهمی در نقطه قرار داشته باشد :
(2-132)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 11 : تیربه طول , وارتفاع ، شامل یک ترک سهموی به صورت عمودی به عمق و طول دهانه ترک
معادله یک سهمی افقی که راس آن در نقطه و فاصله راس تا کانون آن a باشد، به صورت زیر است:
(2-133)
اگر دهانه سهمی به سمت راست باشد علامت آن مثبت و اگر به سمت چپ باشد، علامت آن منفی می باشد.
معادله یک سهمی افقی، مانند شکل2-20 که راس آن در نقطه و با فرض آنکه کانون این سهمی در نقطه قرار داشته باشد :
(2-134)
علامت منفی به دلیل آنست که قسمت پایینی سهمی مورد نظر می باشد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 12 : تیر به طول , وارتفاع ، شامل یک ترک سهموی به صورت افقی به عمق و طول دهانه ترک
در فصل بعد به ارائه نتایج مربوط به این قسمت پرداخته ایم، ضمن اینکه در قسمت پیوست ها توابع شکل مد مورد استفاده برای هر شرط مرزی آمده است.
مدل سازی ترک باز و بسته شوندهدر این قسمت به مدل سازی غیرخطی تیر ترکدار می پردازیم. بر خلاف قسمت قبل که فرض می شد ترک در حین ارتعاش همواره باز باقی می ماند، در این قسمت، فرض بر این است که ترک در حین ارتعاش باز و بسته می شود، یعنی ترک از یک حالت کاملا باز به یک حالت کاملا بسته تغییر می کند. این فرض باعث ایجاد ترمهای غیرخطی در معادلات شده که در ادامه بررسی می شود. برای حل این معادلات غیر خطی از روش میانگین گیری استفاده می کنیم.و نتایج را برای حالتهای تک مود و دو مود نشان خواهیم داد.
مدل سازی ترک ساختار منحنیدر این قسمت ترکی با ساختار منحنی شکل مطابق شکل2-21 را مورد بررسی قرار می‌دهیم. زاویه ترک منحنی شکل در وضعیت اولیه θ0 است که در حین ارتعاش این زاویه بتدریج تغییر می‌نماید. عمق ترک برابر h0 و طول وجه ترک برابر lc است. فرض کنید که ترک با شکل منحنی دارای شعاع انحنای ρ است. اگر برای مثال ترک به صورت قسمتی از دایره با شعاع ρ در نظر گرفته شود، نقاط ابتدایی و انتهایی ترک و از آنجا مقدار گشودگی دهانه به صورت زیر خواهد بود:
(2-135)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 13 : تیر ترکدار با ترک منحنی شکل با شعاع انحناهای متفاوت، عمق و طول وجه

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 14 ترک با ساختار منحنی دایره ای شکل به شعاع انحنایدر دو طرف و زاویه اولیه و طول دهانه
در این صورت در اثر نیروها و حرکت حاصله زاویه ترک و گشودگی دهانه مربوطه تغییر می‌کند. این تغییرات موجب می‌گردد که سطوح منحنی‌ها بر روی هم غلتیده و از طول وجه اولیه lc ترک و یا گشودگی اولیه دهانه کاسته شود، مانند شکل2-15، اگر که ترک در جهت بسته‌شدن دچار تغییر زاویه شود. به این ترتیب اگر شیب منحنی خیز تیر در نقطه وسط ترک برابر باشد، در این صورت زاویه مابین بصورت زیر خواهد بود.


(2-136)
و سطحی از ترک که بر روی هم می‌غلتد نیز به صورت زیر خواهد بود.
(2-137)
این میزان از غلتش سطوح بر روی هم از عمق اولیه به همین میزان خواهد کاست. در نتیجه میزان عمق ترک در حین بسته شدن در نقطه ترک xc به صورت زیر تغییر خواهد کرد.
(2-138)
و محدوده ترک بصورت زیر تغییر خواهد کرد.
(2-139)
مقدار گشودگی دهانه ترک نیز به صورت زیر تعیین خواهد شد.
(2-140)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 15 : موقعیت نقاط ابتدا و انتهای ترک و نیز تغییرات هندسه ترک در حین ارتعاشطول وجه ترک نیز بصورت زیر تعیین خواهد شد:
(2-141)
که برای ترک دایره‌ای با شعاع ثابت ρ به صورت زیر درخواهد آمد
(2-142)
(2-143)
(2-144)
طول وجه ترک نیز برابر خواهد شد با:
(2-145)
عمق ترک در هر نقطه به صورت زیر در خواهد آمد:
(2-146)
(2-147)
در ادامه ساختار ترک را نسبت به موقعیت میانی ترک متقارن در نظر گرفته می‌شود. اگر زاویه ترک کوچک باشد و شعاع انحنای ترک نسبت به ضخامت تیر بزرگ باشد، در این صورت ترک را می‌توان در هر لحظه بتقریب به صورت V شکل به صورت معادله (2-136) در نظر گرفت، در ادامه از این فرض ساده‌کننده برای حل استفاده خواهد شد. با این فرض محدوده ترک بصورت زیر تغییر خواهد کرد:
(2-148)
(2-149)
نقاط گوشه‌ای ترک به صورت زیر می‌باشند:
(2-150)
در این معادله خطی که برای تقریب وجوه در هر لحظه استفاده می‌شود، بصورت زیر تعیین می‌گردد.
(2-151)
در این صورت ارتفاع دهانه باز ترک برابر است با:
(2-152)
انرژی جنبشی تیر به صورت زیر می‌باشد.
(2-153)
با جایگذاری رابطه (2-152) در رابطه (2-153)، انرژی جنبشی برابر است با:
(2-154)
به همین ترتیب انرژی پتانسیل برابر است با:
(2-155)
با جایگذاری رابطه (2-152) در رابطه (2-155)، انرژی پتانسیل برابر است با:
(2-156)

با قرار دادن در معادلات زیر داریم:
(2-157)

(2-158)

(2-159)

با تعریف روابط زیر :
(2-160)
(2-161)
(2-162)
(2-163)
(2-164)
(2-165)
در حالت واقعی محدوده ترک کوچک می‌باشد، لذا انتگرال‌های مربوطه را می‌توان بصورت‌های زیر تقریب زد:
(2-166)
(2-167)
(2-168)

(2-169)

(2-170)

(2-171)

کمیت های بی بعد را به صورت زیر تعریف می کنیم:
(2-172)
با قرار دادن روابط (2-160) تا (2-171) در معادله (2-159) و قرار دادن روابط (2-160) تا (2-162) در معادله (2-158) و قراردادن روابط (2-163) تا (2-165) در رابطه (2-157) و جایگذاری روابط بدست آمده در معادله لاگرانژ، و وارد کردن کمیت های بی بعد تعریف شده در رابطه بدست آمده از این جایگذاری ها و ساده سازی، معادله حرکت بدست می آید:
(2-173)

بررسی ترک v- شکلدر قسمت قبل معادله حرکت را برای ترک دایره ای شکل بدست آوردیم، در این قسمت معادله حرکت را برای ترک -v شکل بدست خواهیم آورد. زاویه ترک V شکل در وضعیت اولیه θ0 است که در حین ارتعاش این زاویه بتدریج تغییر می‌نماید. عمق ترک برابر h0 و طول وجه ترک برابر lc است که . در این صورت گشودگی دهانه ترک در وضعیت اولیه برابر خواهد بود. در این صورت محدوده اولیه ترک بصورت زیر مشخص می‌گردد.

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 16 ترک با ساختار v-شکل و مشخصات هندسی (2-174)
(2-175)
در اثر نیروها و حرکت حاصله زاویه ترک و گشودگی دهانه مربوطه تغییر می‌کند و مقدار گشودگی دهانه ترک نیز به صورت زیر تعیین خواهد شد.
(2-176)

شکل STYLEREF 1 s ‏2 SEQ شکل_ * ARABIC s 1 17 : ترک با ساختار v- شکل در حین ارتعاش در هنگام بسته شدن.در این صورت زاویه ترک در حین ارتعاش از رابطه بدست خواهد آمد و محدوده ترک بصورت زیر تغییر خواهد کرد.
(2-177)
(2-178)
وجه ترک به صورت یک خط با رابطه‌ای به صورت زیر است:
(2-179)
در این صورت ارتفاع دهانه باز ترک برابر است با:
(2-180)
با استفاده از رابطه (2-154) انرژی جنبشی برابر است با:
(2-181)
به همین ترتیب انرژی پتانسیل با استفاده از رابطه (2-155) برابر است با:
(2-182)
حال جابجایی تیر را به صورت در نظر می‌گیریم،در این صورت با استفاده از معادلات لاگرانژ داریم:
(2-183)
(2-184)
(2-185)
(2-186)
(2-187)
در این صورت معادلات حرکت بصورت زیر خواهند بود:
(2-188)

در حالت واقعی محدوده ترک کوچک می‌باشد، لذا انتگرال‌های مربوطه را می‌توان بصورت‌های زیر تقریب زد.
(2-189)
(2-190)
(2-191)
(2-192)
(2-193)
که با جایگذاری در معادله خواهیم داشت:
(2-194)
تفاوت معادلات بدست آمده برای ترک دایره ای شکل و ترک V- شکل نشان دهنده این است که مدل ارائه شده نسبت به پارامتر شکل ترک حساس است، یعنی مدل ارائه شده با تغییر شکل ترک تغییر می کند.
حل مسئله با روش میانگین گیریمعادله حرکت بدست آمده در قسمت قبل غیرخطی می باشد. برای حل معادلات غیرخطی روش های مختلفی مانند پرتوربیشن، میانگین گیری و... وجود دارد در این قسمت با استفاده از روش میانگین گیری به حل معادله بدست آمده در قسمت قبل می پردازیم، با فرض یک مد، معادله (2-194) بصورت زیر تبدیل می‌گردد:
(2-195)
برای تعیین نحوه تغییر دامنه و فرکانس با زمان، با استفاده از روش میانگین‌گیری، حلی به صورت زیر در نظر گرفته می‌شود.
(2-196)
که
(2-197)
در این صورت با مشتق‌گیری از رابطه (2-196) داریم:
(2-198)
برای اینکه معادله فوق دارای حل پریودیک باشد، عبارت زیر باید برابر صفر باشد:
(2-200)
بنابراین:
(2-201)
با مشتق‌گیری از داریم:
(2-202)
که با جایگذاری رابطه (2-196)، (2-201) و (2-202) ، در معادله (2-195)، معادله حرکت به فرم زیر تبدیل می‌گردد:
(2-203)
برای پیداکردن دامنه و فاز حرکت از رابطه زیر استفاده می کنیم:
(2-204)
با قراردادن رابطه( 2-203 )در معادله ( 2-204)، تابع F1τ,ω0,ϕ,a را به صورت زیر بدست می آوریم:
(2-205)
با استفاده از روابط (2-200) و (2-204) دامنه و فاز حرکت بصورت زیر تعیین می‌شوند:
(2-206)
(2-207)
از حل معادلات دیفرانسیل فوق مقادیر در بازه زمانی مشخص بدست می آید.
برای ترک دایره ای شکل نیز با فرض یک مود، به روشی مشابه ترک V- شکل معادله بدست آمده برابر است با:
(2-208)

که مشابه روش قسمت قبل، برابر است با:
(2-209)

در فصل بعد نتایج مربوط به این مدل سازی و تغییرات فرکانس زاویه ای و زاویه ترک را در حین ارتعاش به صورت شکل های مختلف برای هر شرط مرزی نشان می دهیم.

نتایج مدل سازی
مقدمهدر این فصل با استفاده از روابط فصل دوم و مدل سازی انجام شده به ارائه نتایج می پردازیم. نتایج این فصل در بخش های مختلف ارائه می شود. ابتدا در قالب جداول، نتایج مربوط به ترک باز ساده، سپس نتایج مربوط به تیر چند ترکه و در انتها، نتایج مربوط به شکل های هندسی مختلف ترک ارائه گردیده است. در ادامه نتایج مربوط به ترک باز و بسته شونده در قالب شکل های مختلف ارائه می شود.
نتایج ترک باز ساده
در این قسمت به ارائه نتایج مربوط به ترک باز ساده می پردازیم. این نتایج برای شرایط مرزی مختلف، عمق های مختلف ترک، موقعیت های مختلف ترک و طول دهانه های مختلف ترک نشان داده می شود و اثر هر کدام از این پارامترها را روی فرکانس طبیعی بررسی می کنیم، و همچنین برای بررسی درستی نتایج، آنها را با نتایج مربوط از روش ارائه شده در مرجع [67] مقایسه می کنیم.
ویژگی های هندسی و مکانیکی تیر مورد نظر به صورت زیر است:

تیر با نسبت های مختلف عمق ترک:در این بخش به ارائه نتایج برای نسبت های مختلف عمق ترک می پردازیم. پارامتر بی بعد عمق ترک را برای مقادیر مختلف در نظر گرفته و نتایج بدست آمده از روش ارائه شده را با روش متعارف [67] یعنی روشی که در آن با استفاده از روابط مکانیک شکست در موقعیت ترک، فنر گذاشته می شود، مقایسه می کنیم. در همه جداول ستونی مربوط به سه فرکانس طبیعی اول تیر سالم (بدون ترک) برای هر شرط مرزی آورده شده است، که برای نشان دادن این مطلب است که فرکانس طبیعی تیر ترکدار همواره از تیر بدون ترک کمتر است زیرا سفتی تیر ترکدار از تیر سالم کمتر است.
در جدول3-1 فرکانس های طبیعی بی بعد، مربوط به سه مود اول ارتعاشی را برای شرط مرزی گیردار-گیردار با موقعیت ترک و طول دهانه ترک، را برای تیر اویلر- برنولی و تیر تیموشنکو نشان می دهیم. همان طور که از نتایج جداول پیداست با افزایش عمق ترک، سفتی تیر کاهش پیدا کرده و در نتیجه فرکانس طبیعی تیر نیز کاهش می یابد. همچنین نتایج این روش با روش متعارف نزدیکی و تطابق بسیار خوبی دارد.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 1 : فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر گیردار با عمق های مختلف و موقعیت ترک و طول دهانه و مقایسه نتایج با روش متعارف و تیر سالمhchتیر سالم تیر ترکدار
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.1 22.373 22.276 22.329 22.233 22.360 22.264
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 120.579 118.506 120.770 118.691
0.2 22.373 22.276 22.205 22.111 22.333 22.237
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 119.682 117.644 120.540 118.47
0.3 22.373 22.276 21.993 21.901 22.282 22.187
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 118.185 116.204 120.138 118.045
0.4 22.373 22.276 21.670 21.582 22.185 22.091
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 116.016 114.113 119.416 117.39
0.5 22.373 22.276 21.225 21.142 21.992 21.9012
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.062
120.90 118.818 113.223 111.417 118.049 116.0748
0.6 22.373 22.276 20.676 20.599 21.578 21.491
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.06
120.90 118.818 110.075 108.369 115.314 113.4377
0.7 22.373 22.276 20.076 20.007 20.610 20.5349
61.672 61.062 61.672 61.062 61.672 61.057
120.90 118.818 106.978 105.363 109.718 108.0231
در جداول 3-2 تا 3-4، سه فرکانس طبیعی بی بعد اول را، برای شرایط مرزی مختلف به ازای عمق های ترک از تا و موقعیت ترک و طول دهانه ترک ، برای تیر اویلر – برنولی و تیر تیموشنکو نشان داده شده است. در بالای هر جدول، شرط مرزی مربوط به آن تیر نشان داده شده است، ضمن آنکه مانند جدول قبل به ازای افزایش عمق ترک، فرکانس طبیعی تیر کمتر شده و همچنین فرکانس تیر ترکدار از تیر سالم کمتر می باشد. از نتایج پیداست که تطابق خوبی بین نتایج روش ارائه شده و روش متعارف وجود دارد.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 2 : فرکانس های طبیعی مربوط به تیر یکسر گیردار با عمق های مختلف و موقعیت ترک و طول دهانه و مقایسه نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار یکسرگیردار تیر سالم hchروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 3.514 3.515 3.512 3.513 # "0.00%" 3.513 3.5142 3.5160 0.1
21.946 22.022 21.899 21.974 21.9582 22.0344 61.192 61.697 61.192 61.697 61.1927 61.6972 3.513 3.5148 3.506 3.507 3.5142 3.5160 0.2
21.924 22.000 21.732 21.806 21.9582 22.0344 61.192 61.697 61.192 61.697 61.1927 61.6972 3.511 3.5134 3.495 3.496 3.5142 3.5160 0.3
21.887 21.962 21.445 21.517 21.9582 22.0344 61.192 61.697 61.191 61.697 61.1927 61.6972 3.509 3.510 3.477 3.478 3.5142 3.5160 0.4
21.816 21.891 21.007 21.076 21.9582 22.0344 61.192 61.696 61.190 61.696 61.1927 61.6972 3.503 3.505 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.5
21.677 21.751 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.191 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 3 : فرکانس های طبیعی مربوط به تیر گیردار- مفصل برشی با عمق های مختلف و موقعیت ترک و طول دهانه و مقایسه نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار گیردار-مفصل برشی تیر سالم hchروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 5.5896 5.5944 5.586 5.5930 5.5872 5.5933 0.1
30.081 30.214 30.031 30.163 30.0926 30.2258 73.906 74.632 73.882 74.608 73.9131 74.6389 5.5890 5.5939 5.586 5.5922 5.5872 5.5933 0.2
30.06 30.193 29.859 29.989 30.0926 30.2258 73.895 74.613 73.797 74.523 73.9131 74.6389 5.5882 5.5931 5.584 5.590 5.5872 5.5933 0.3
30.022 30.154 29.563 29.690 30.0926 30.2258 73.875 74.601 73.651 74.376 73.9131 74.6389 5.5872 5.5927 5.582 5.588 5.5872 5.5933 0.4
29.950 30.082 29.113 29.234 30.0926 30.2258 73.839 74.565 73.431 74.155 73.9131 74.6389 5.5861 5.5915 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.5
29.807 29.937 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.767 74.494 73.130 73.854 73.9131 74.6389 جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 4: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر لولا با عمق های مختلف و موقعیت ترک و طول دهانه و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار دو سر لولا تیر سالم hchروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 9.853 9.864 9.833 9.843 9.8591 9.8696 0.1
39.3125 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 87.947 88.778 87.764 88.590 87.9946 88.8264 9.844 9.854 9.758 9.769 9.8591 9.8696 0.2
39.3125 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 87.865 88.693 87.125 87.936 87.9946 88.8264 9.827 9.837 9.630 9.64 9.8591 9.8696 0.3
39.3124 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 87.719 88.544 86.05 86.835 87.9946 88.8264 9.796 9.806 9.430 9.439 9.8591 9.8696 0.4
39.3123 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 87.450 88.268 84.869 85.221 87.9946 88.8264 9.734 9.744 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.5
39.312 39.478 39.3125 39.478 39.3125 39.4784 86.921 87.727 82.4 83.106 87.9946 88.8264 تیر با نسبت های مختلف طول دهانه ترک:در این قسمت نتایج را به ازای تغییر در طول دهانه ترک نشان خواهیم داد. همان گونه که قبلا بیان شد، مزیت روش ارائه شده نسبت به روش های دیگر این است که در روش ارائه شده، فرکانس طبیعی با تغییر در طول دهانه ترک تغییر می کند، اما نتایج روش متعارف، نسبت به تغییر طول دهانه ترک ثابت است.
جدول 3-5، سه فرکانس طبیعی بی بعد مربوط به سه مود اول ارتعاش تیر ترکدار گیردار-گیردار را به ازای عمق ترک ثابت و موقعیت ترک و طول های مختلف دهانه ترک از تا نشان می دهد.
در جداول 3-6 تا 3-8، فرکانس های طبیعی بی بعد مربوط به سه مود اول را برای شرایط مرزی مختلف به ازای طول های مختلف دهانه ترک از تا و موقعیت ترک و عمق ترک ، برای تیرهای اویلر – برنولی و تیر تیموشنکو نشان داده شده است. همان طور که از نتایج پیداست با افزایش طول دهانه ترک، فرکانس طبیعی تیر کاهش می یابد. ضمن اینکه به دلیل آنکه روش متعارف نسبت به پارامتر طول دهانه ترک حساسیتی ندارد نتایج مربوط به روش متعارف به ازای تغییر این پارامتر تغییر نمی کند.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 5: فرکانس های طبیعی تیر دو سر گیردار با طول های مختلف دهانه ترک و موقعیت ترک و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمdoLتیر سالم تیر ترکدار دو سر گیردار
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.001 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3699 22.273
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.869 118.786
0.002 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3667 22.270
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.836 118.754
0.004 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3600 22.263
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.770 118.691
0.005 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3568 22.260
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.737 118.659
0.008 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3470 22.251
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6728 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.640 118.566
0.01 22.373 22.276 22.329 22.233 22.3406 22.244
61.672 61.062 61.672 61.062 61.6726 61.063
120.90 118.818 120.579 118.506 120.576 118.505
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 6 : فرکانس های طبیعی مربوط به تیر یکسر گیردار با طول های مختلف دهانه ترک و موقعیت ترک و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار تیر سالم doLروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 3.509 3.510 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.001
21.816 21.891 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.192 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 3.503 3.505 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.002
21.677 21.751 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.191 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 3.498 3.500 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.003
21.542 21.615 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.190 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 3.493 3.495 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.004
21.412 21.484 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.189 61.696 61.188 61.694 61.1927 61.6972 3.483 3.485 3.450 3.452 3.5142 3.5160 0.006
21.161 21.232 20.399 20.464 21.9582 22.0344 61.187 61.695 61.188 61.694 61.1927 61.6972 جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 7: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر گیردار- مفصل برشی با طول های مختلف دهانه ترک و موقعیت ترک و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار تیر سالم doLروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 5.584 5.591 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.001
29.947 30.079 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.8391 74.5649 73.130 73.854 73.9131 74.6389 5.583 5.590 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.002
29.807 29.937 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.767 74.494 73.130 73.854 73.9131 74.6389 5.582 5.588 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.003
29.672 29.799 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.699 74.425 73.130 73.854 73.9131 74.6389 5.580 5.586 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.004
29.540 29.667 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.632 74.359 73.130 73.854 73.9131 74.6389 5.580 5.585 5.579 5.585 5.5872 5.5933 0.006
29.290 29.413 28.494 28.607 30.0926 30.2258 73.506 74.234 73.130 73.854 73.9131 74.6389 جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 8: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر لولا با طول های مختلف دهانه ترک و موقعیت ترک و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمتیر ترکدار تیر سالم doLروش ارائه شده روش متعارف[67] تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی 9.796 9.806 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.001
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 87.445 88.263 82.398 83.106 87.9946 88.8264 9.734 9.744 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.002
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 86.921 87.727 82.398 83.106 87.9946 88.8264 9.673 9.683 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.003
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 86.423 87.217 82.398 83.106 87.9946 88.8264 9.614 9.624 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.004
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 85.95 86.732 82.398 83.106 87.9946 88.8264 9.499 9.508 9.147 9.156 9.8591 9.8696 0.006
39.312 39.478 39.312 39.478 39.3125 39.4784 85.065 85.827 82.398 83.106 87.9946 88.8264 بررسی اثر تغییر موقعیت ترکدر این قسمت، موقعیت ترک را از قسمت های ابتدایی تیر تا قسمت های انتهایی تیر، به ازای عمق و طول دهانه ثابت تغییر می دهیم و نتایج را نشان می دهیم. نکته قابل توجه در این قسمت این است که، تنها در حالت شرط مرزی تیر یک سر گیردار با تغییر موقعیت ترک از ابتدا تا انتها، فرکانس طبیعی مربوط به مود اول، افزایش می یابد و در مورد شرایط مرزی دو سر گیردار و دو سر لولا به علت تقارن، در فاصله های برابر از تکیه گاه ها، فرکانس های طبیعی یکسان است. برای حالت دوسر لولا با نزدیک کردن موقعیت ترک به میانه تیر فرکانس طبیعی اول کاهش پیدا کرده و بعد از آن افزایش می یابد. در مورد بقیه شرایط مرزی، نظم خاصی وجود ندارد. نتایج مربوط به هر دو روش ارائه شده و روش متعارف نشان دهنده این موضوع می باشد. ضمن اینکه تطابق و نزدیکی خوبی بین نتایج دو روش وجود دارد.
در جداول 3-9 تا 3-12، نتایج مربوط به بررسی اثر موقعیت ترک به ازای و نشان داده شده است. شرط مرزی هر تیر نیز در بالای جدول مربوط به آن آورده شده است.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 9: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر گیردار با موقعیت های مختلف ترک و طول دهانه و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمLCLتیر سالم تیر ترکدار دو سر گیردار
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.1 22.373 22.276 21.572 21.484 22.202 22.107
61.672 61.062 61.289 60.695 61.594 60.986
120.90 118.818 120.862 118.774 120.899 118.839
0.2 22.373 22.276 22.343 22.247 22.372 22.275
61.672 61.062 60.304 59.721 61.454 60.848
120.90 118.818 114.532 112.712 119.971 117.678
0.3 22.373 22.276 22.133 22.039 22.341 22.245
61.672 61.062 58.111 57.586 61.016 60.423
120.90 118.818 118.575 116.619 120.445 118.385
0.4 22.373 22.276 21.516 21.430 22.231 22.137
61.672 61.062 59.761 59.200 61.318 60.718
120.90 118.818 119.153 117.113 120.577 118.498
0.5 22.373 22.276 21.225 21.142 22.177 22.082
61.672 61.062 61.672 61.063 61.672 61.062
120.90 118.818 113.224 111.417 119.397 117.371
0.6 22.373 22.276 21.516 21.430 22.231 22.137
61.672 61.062 59.761 59.200 61.318 60.718
120.90 118.818 119.153 117.113 120.577 118.498
0.7 22.373 22.276 22.133 22.039 22.341 22.245
61.672 61.062 58.111 57.586 61.016 60.423
120.90 118.818 118.575 116.619 120.445 118.385
0.8 22.373 22.276 22.343 22.247 22.372 22.275
61.672 61.062 60.304 59.721 61.454 60.848
120.90 118.818 114.532 112.712 119.971 117.678
0.9 22.373 22.276 21.572 21.484 22.202 22.107
61.672 61.062 61.289 60.695 61.594 60.986
120.90 118.818 120.862 118.774 120.899 118.839
همان طور که از نتایج جدول فوق مشخص است در فاصله های برابر از تکیه گاه ها، مثلا در موقعیت ترک و به علت تقارن فرکانس های طبیعی بدست آمده برابر می باشد.
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 10: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر یک سر گیردار با موقعیت های مختلف ترک و طول دهانه و عمق ترک و مقایسه نتایج با روش متعارف و تیر سالمLCLتیر سالم تیر ترکدار یک سر گیردار
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.1 3.5160 3.5142 3.156 3.155 3.445 3.443
22.0344 21.9582 21.288 21.221 21.874 21.799
61.6972 61.1927 61.309 60.821 61.618 61.115
0.2 3.5160 3.5142 3.250 3.248 3.465 3.463
22.0344 21.9582 22.019 21.943 22.035 21.959
61.6972 61.1927 60.345 59.857 61.481 60.979
0.3 3.5160 3.5142 3.332 3.331 3.482 3.480
22.0344 21.9582 21.714 21.639 21.986 21.910
61.6972 61.1927 58.189 57.758 61.051 60.561
0.4 3.5160 3.5142 3.400 3.399 3.495 3.494
22.0344 21.9582 20.950 20.881 21.846 21.771
61.6972 61.1927 59.864 59.413 61.358 60.864
0.5 3.5160 3.5142 3.452 3.450 3.505 3.503
22.0344 21.9582 20.463 20.399 21.751 21.677
61.6972 61.1927 61.693 61.188 61.696 61.191
0.6 3.5160 3.5142 3.486 3.484 3.512 3.510
22.0344 21.9582 20.543 20.478 21.767 21.693
61.6972 61.1927 59.451 58.972 61.266 60.766
0.7 3.5160 3.5142 3.505 3.503 3.516 3.514
22.0344 21.9582 21.091 21.022 21.867 21.794
61.6972 61.1927 57.024 56.592 60.800 60.310
0.8 3.5160 3.5142 3.513 3.512 3.52 3.517
22.0344 21.9582 21.711 21.637 21.978 21.902
61.6972 61.1927 58.228 57.781 61.091 60.597
0.9 3.5160 3.5142 3.515 3.514 3.521 3.519
22.0344 21.9582 22.003 21.927 22.041 21.965
61.6972 61.1927 61.165 60.667 61.613 61.109
جدول STYLEREF 1 s ‏3 SEQ جدول * ARABIC s 1 11: فرکانس های طبیعی مربوط به تیر دو سر لولا با موقعیت های مختلف ترک و طول دهانه و عمق ترک و مقایسه این نتایج با روش متعارف و تیر سالمLCLتیر سالم تیر ترکدار دو سر لولا
روش متعارف[67] روش ارائه شده
اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو اویلر- برنولی تیموشنکو
0.1 9.8696 9.8591 9.793 9.783 9.857 9.847
39.4784 39.31251 38.395 38.240 39.302 39.138
88.8264 87.9946 84.441 83.705 88.084 87.269
0.2 9.8696 9.8591 9.602 9.592 9.825 9.815
39.4784 39.31251 36.931 36.790 39.026 38.865
88.8264 87.9946 83.902 83.176 87.841 87.032
0.3 9.8696 9.8591 9.381 9.372 9.786 9.776
39.4784 39.31251 37.095 36.952 39.032 38.871
88.8264 87.9946 88.274 87.445 88.721 87.890
0.4 9.8696 9.8591 9.216 9.207 9.755 9.745
39.4784 39.31251 38.539 38.382 39.307 39.142
88.8264 87.9946 86.727 85.942 88.442 87.618
0.5 9.8696 9.8591 9.156 9.147 9.744 9.734
39.4784 39.31251 39.478 39.312 39.478 39.312
88.8264 87.9946 83.106 82.398 87.727 86.922
0.6 9.8696 9.8591 9.216 9.207 9.755 9.745

user8294

شکل(6-3): تغییرات ضریب تضعیف تعیین شده برای مثال 6-1 در گذر زمان................................98
مقدمه
مسئله پایدار سازی و کنترل سیستمهای غیر خطی از مسائل مهم در تئوری کنترل می باشند. یک گام اساسی و مهم در این زمینه تحقیقاتی، مدلسازی سیستم غیر خطی با استفاده از تکنیک مدل سازی فازی تاکاگی – سوگنو T - Sمی باشد. به کمک این مدلسازی، سیستم غیر خطی اولیه، با ترکیب مجموعه ای از زیر سیستمهای خطی تقریب زده می شود. هر زیر سیستم خطی با یک بیان قاعده اگر – آنگاه (IF-Then Rule) توصیف می شود. در گام دوم که طراحی کنترل کننده دلخواه می باشد، برای هر زیر سیستم خطی یک کنترل کننده خاص با در نظر گرفتن کلیه زیرسیستم های خطی طراحی می شود. گام نهایی ترکیب فازی مناسب همه کنترل کننده های خطی طراحی شده برای ساخت کنترل کننده نهایی خواهد بود. به این روش طراحی کنترل کننده، جبرانسازی توزیع شده موازی (Parallel Distributed Compensation) گفته می شود.
نه فقط پایدار سازی یک سیستم غیر خطی، بلکه کنترل مناسب آن سیستم هم مد نظر می باشد. در این رساله ، تمرکز ما بر مسئله تعقیب خواهد بود. این مسئله پیشینه ای 12 ساله در تئوری کنترل فازی دارد و با انتشار پروژه - ریسرچمنتشر شده درمنبع ]1[ آغاز شده است. در طی سالهای بعد از انتشار این پروژه - ریسرچ، روشها و کاربردهای دیگری نیزبه این زمینه تحقیقاتی افزوده شده اند. از جمله می توان به منابع دیگر ] 9[-] 2[ رجوع داد. نکته قابل توجه در تمامی این طراحی های کنترل کننده فازی تعقیب با استفاده از ساختار مشاهده گر حالت کنترل مدرن برای پی ریزی ساختار کنترل کننده است. این ساختار چند ویژگی دارد، بطور ساده ای بیان می شود ولی طراحیهای بهره مشاهده گر و بهره کنترل کننده در آن بسیار پیچیده است؛ زیرا این بهره ها باید از روی اطلاعات تمامی زیر سیستمهای خطی در مدل تاکاگی – سوگنو محاسبه شوند. نکته قابل تامل دیگر در این ساختار، هم درجه بودن کنترل کننده و سیستم تحت کنترل است.
در این رساله، هدف ما طراحی کنترل کننده فازی استاتیکی خروجی برای نیل به حل مسئله تعقیب برای سیستمهای غیر خطی می باشد. کنترل کننده استاتیکی خروجی از تنها یک یا چند بهره تشکیل شده است که سیگنال کنترلی متناسب با مقدار لحظه ای خروجی و مقدار لحظه ای سیگنال مبنا تولید می کند. این کنترل کننده در قیاس با کنترل کننده دینامیکی خروجی بسیار ساده طراحی می شود و بسیار ساده نیز بطور عملی بکار گرفته می شود و کنترل کننده از مرتبه یک بوده و هم درجه با سیستم تحت کنترل نمی باشد. دلیل اصلی ما در انتخاب این تحقیق، همین مزایای کنترل کننده استاتیکی خروجی می باشد. لازم به ذکر است که تا زمان تهیه این رساله، در این زمینه کار اساسی انجام نگرفته و پروژه - ریسرچای منتشر نشده است.
همانطور که بیان گردید هدف از این رساله، بررسی مسئله طراحی کنترل کننده فازی استاتیکی خروجی برای رسیدن به خطای کم درتعقیب یک سیگنال مبنا در مسئله تعقیب می باشد. در این رساله، پس از طی مراحل اولیه، هدف ما توسعه روش ابداعی به سیستمهایی است که در ساختار معادلات آنها اجزائ تأخیر دار وجود داشته باشند. تاخیر در بسیاری از سیستمهای فیزیکی وجود دارد. اضافه شدن اجزای تأخیر دار به هر سیستم دینامیکی منجر به ناپایداری سیستم حلقه بسته و یا عملکرد ضعیف کنترلی آن می شود. هدف نهایی ما در این تحقیق ، حل مسئله کنترل فازی در تعقیب در مورد سیستمهای دارای تاخیر می باشد
قدم بعدی در این رساله، تعمیم این مسئله کنترلی به سیستمهایی است که دارای نامعینی می باشند. در واقع، هدف اصلی ، طراحی کنترل کننده فازی استاتیکی خروجی مقاوم می باشد. علت اصلی درانتخاب این هدف، لزوم مقاوم طراحی کردن کنترل کننده مقاوم است. در هر مسئله کنترلی که در آن یک سیستم غیر خطی با مدلسازی تاکاگی – سوگنو به مجموعه ای از زیر سیستمهای خطی بیان می شود، تقریبهای زیادی وارد می شود. اگر در طراحی کنترل کننده، این تقریبها مد نظر قرار نگیرند، احتمال ناپایداری سیستم حلقه بسته بوجود می آید. برای اجتناب از این نقص، بایستی کنترل کننده مقاوم طراحی شود. این کار مستلزم در نظر گرفتن اجزای نامعین در مدل فازی تاکاگی – سوگنو از سیستم غیر خطی است. حال با در نظر گرفتن این اجزا، باید جبران کننده نهایی طراحی شود.
ابزاری که ما در بیان مسئله تعقیب و مسئله کنترل فازی تعقیب در طراحی کنترل کننده بکار خواهیم گرفت ، نامعادلات خطی ماتریسی هستند. در 18 سال گذشته ، مقالات بسیار زیادی در زمینه های مختلف کنترلی منتشر شده اند که در آنها بیان مسئله و طراحی کنترل کننده بر مبنای تئوری نامعادلات خطی ماتریسی بوده است. ما نیز در این تحقیق از این تئوری برای رسیدن به طراحی نهایی استفاده خواهیم نمود،] 10[.
آشنایی با نامعادلات ماتریسی خطی و جعبه ابزار مربوطه در نرم افزار MATLAB
نامعادلات ماتریسی خطی
یک نامعادله ماتریسی خطی (LMI) در حالت کلی به فرم زیر میباشد:

که در آن یک تابع خوش ریخت از بردار حقیقی بوده ، ، تا ماتریس های متقارن مشخص هستند و یک بردار از متغیر های تصمیم گیری میباشد. نماد عدم تساوی در رابطه فوق به این معناست که معین مثبت میباشد، یعنی برای تمامی غیرصفر یا میتوان گفت به این معناست که بزرگترین مقدار ویژه دارای قسمت حقیقی مثبت میباشد.
LMI های چندگانه را میتوان بصورت یک LMI بصورت در نظر گرفت. لذا ما هیچ تفاوتی بین یک مجموعه از LMI ها و یک LMI واحد قائل نمیشویم.


در بسیاری از موارد LMI ها به فرم کانونی (1-1) ظاهر نمیشوند بلکه به فرم

به نمایش درمی آیند که در آن و توابعی خوش ریخت از برخی متغیر های ماتریسی میباشند.
همچنین برخی افراد ساختار زیر را ترجیح میدهند:

خواص نامعادلات ماتریسی خطی
مجموعه جواب های امکان پذیر (1-1) یعنی یک مجموعه محدب میباشد. این یک ویژگی مهم میباشد چراکه تکنیک های حل عددی قدرتمندی برای مسائل دارای مجموعه جواب های محدب وجود دارد.
تحدب: یک مجموعه محدب است اگر و. به عبارت دیگر مجموعه ای محدب است که پاره خط بین هر دو نقطه که در این مجموعه قرار دارند نیز در مجموعه قرار داشته باشد. شکل (1-1) دو مجموعه محدب و غیرمحدب را نشان میدهد. خاصیت تحدب یک نتیجه بسیار مهم دارد و آن اینکه اگر چه معادله (1-1) در حالت کلی دارای راه حل جبری نمیباشد ولی میتوان آنرا با روش های حل عددی حل نمود، با این تضمین که در صورت وجود جواب آنرا پیدا خواهد کرد.

(الف)
(ب)

شکل(1-1): (الف) مجموعه محدب- (ب) مجموعه غیرمحدب
LMI (1-1) یک نامعادله اکید است و فرم غیراکید آن بصورت زیر میباشد:

خاصیت تقارن: LMI ها متقارن میباشند. این خاصیت باعث سادگی تعریف آنها میشود چراکه نیازی به مشخص نمودن تمامی عناصر LMI نیست و تنها مشخص کردن عناصر روی قطر اصلی و بالا یا پایین آن کفایت میکند.
نامعادلات غیرخطی را میتوان با استفاده از متمم Schur به فرم LMI تبدیل نمود. ایده اصلی به این ترتیب است:
LMI زیر را در نظر بگیرید:

که در آن ، و بطور خطی به وابسته میباشد.
LMI فوق معادل نامعادلات زیر میباشد

به بیان دیگر مجموعه نامعادلات غیرخطی(1-6) را میتوان بصورت LMI (1-5) نشان داد.
ماتریس ها بعنوان متغیر
ما اغلب با مسائلی مواجه میشویم که در آنها متغیر ها دارای ساختار ماتریسی میباشند، برای مثال نامعادله لیاپانوف

که در آن ماتریسی معین بوده و متغیر میباشد.در این مورد ما صریحاً LMI را به فرم نخواهیم نوشت اما در عوض مشخص خواهیم کرد کدام ماتریس ها متغیر میباشند. اما با این حال میتوان به سادگی نامعادله لیاپانوف را به فرم (1-1) تبدیل کرد.
جعبه ابزار LMI در نرم افزار MATLAB
جعبه ابزار LMI در نرم افزار MATLAB مجموعه ای از توابع مفید برای حل مسائل مربوط به LMI ها را در اختیار کاربر میگذارد.
بطور کلی یک مسئله شامل LMI ها در نرم افزار MATLAB در دو مرحله حل میگردد. ابتدا اقدام به تعریف LMI های موجود در مسئله میکنیم. این مرحله شامل تعیین متغیر های تصمیم گیری در LMI ها و تعریف LMI ها براساس این متغیر ها میباشد. همانطور که در بخش گذشته بحث گردید نمایش های مختلفی برای یک LMI وجود دارد. MATLAB به سادگی از فرم ماتریسی متغیر های تصمیم گیری که در (1-2) داده شده است به جای فرم برداری که در (1-1) داده شده، استفاده میکند. در مرحله دوم مسئله با استفاده از حل کننده های موجود بطور عددی حل میگردد. چنانچه مسئله شامل کمینه سازی یک تابع با متغیر های تصمیم گیری برداری شکل میباشد بایستی اقدام به تبدیل فرم ماتریسی متغیر های تصمیم گیری به فرم برداری با استفاده از توابع لازم نماییم.
تعیین یک سیستم از LMI ها
توصیف یک LMI به سادگی توسط دستور زیر آغاز میشود:
setlmis([]);
همانطور که مشاهده میکنید برای این تابع هیچ پارامتری تعیین نمیگردد.
پس از آن اقدام به تعریف متغیر ها تصمیم گیری با استفاده از دستور lmivar مینماییم.
برای مثال نامعادله ماتریسی خطی را در نظر بگیرید.در اینجا یک ماتریس ثابت و ماتریس متغیر های تصمیم گیری میباشد. تابع lmivar این اجازه را به ما میدهد که چندین فرم مختلف از ماتریس تصمیم را تعریف نماییم. به عنوان مثال فرض میکنیم که یک ماتریس متقارن با ساختار قطری بصورت زیر باشد:

در این مورد دارای بلوک قطری میباشد. اگر در این مثال را برابر 4 در نظر بگیریم و ابعاد ماتریس های به ترتیب برابر 1،3،5و2 و همگی غیرصفر باشند، با استفاده از ستورات زیر تعریف میشود:
structureX=[5,1;3,1;1,0,2,1]
X=lmivar(1,structureX);
در دستورات فوق تعداد سطر های structureX بیانگر آنست که دارای 4 بلوک میباشد. اولین المان از سطر ابعاد بلوک موجود در را مشخص میکند. دومین المان از بلوک نوع بلوک را تعیین مینماید: 1 برای بلوک کامل، 0 برای اسکالر و -1 برای بلوک صفر. عدد 1 در دستور lmivar این موضوع را بیان میکند که یک ماتریس متقارن با ساختار قطری میباشد.
حال چنانچه ساختار متغیر مورد نظر مربعی نباشد و به عنوان مثال ساختاری مستطیلی شکل با 3 سطر و 5 سطون داشته باشد دستور مربوطه به شکل زیر خواهد بود:
lmivar=(2,[3 5])

در گام بعد باید LMI ها را بصورت تک تک تعریف نماییم. برای مثال اگر LMI بخش قبل یعنی را در نظر بگیریم این LMI با دستورات زیر تعریف میگردد:
typeLMI1=[1 1 1 1];
lmiterm(typeLMI1,C,C');
همانطور که مشاهده میشود در ساده ترین حالت lmiterm سه آرگومان میپذیرد. اولین آرگومان یک بردار میباشد. اولین ستون این بردار شماره LMI مورد تعریف را مشخص میکند که در این مورد LMI شماره 1 در حال تعریف میباشد. ستون دوم و سوم این بردار موقعیت ترم مورد تعریف در LMI را مشخص میکنند و ستون چهارم شماره متغیر تصمیم گیری موجود در ترم مورد نظر را مشخص میکند. آرگومان های دوم و سوم این دستور ضرایب سمت چپ و راست ماتریس تصمیم گیری میباشند. چنانچه بخواهیم نامعادله ماتریسی خطی را تعریف نماییم دستورات بصورت زیر خواهند بود
typeLMI1=[-1 1 1 1];
lmiterm(typeLMI1,C,C');
بعنوان یک مثال پیچیده تر به منظور آشنایی بیشتر با دستورات دو LMI زیر را در نظر میگیریم:

که در آنها و ماتریس های تصمیم گیری میباشند. ساختار را مانند قبل در نظر گرفته و را یک ماتریس کامل متقارن با بعد 4 در نظر میگیریم. مجموعه دستورات زیر این دو LMI را تعریف میکنند:
structureX = [5,1;3,1;1,0;2,1];
X = lmivar(1,structureX);
structureS = [4,1]
S = lmivar(1,structureS);
lmiterm([1 1 1 1],A,A'); % term AXA'
lmiterm([1 1 1 2],B',C); % term B'SC
lmiterm([1 1 2 1],1,D); % term XD
lmiterm([1 2 1 1],D',1); % term D'X
lmiterm([1 2 2 2],1,1); % term S
typeLMI2 = [-1 1 1 1];
lmiterm(typeLMI2,E,E'); % term EXE'
در این مثال به وضوح مشخص است که ترم های دوم و سوم آرگومان اول lmiterm مکان ترم مورد تعریف را در LMI مشخص میکنند.
گام نهایی استفاده از دستور زیر به منظور ایجاد LMI ها میباشد:
LMIs=getlmis;
اکنون نوبت به حل LMI ها میرسد. بطور کلی سه نوع حل کننده LMI در نرم افزار MATLAB مورد استفاده قرار میگیرند که عبارتند از feasp ، mincx و gevp که اولین مورد یعنی feasp برای حل مسئله امکان پذیری LMI ها بصورت زیر مورد استفاده قرار میگیرد:
[tmin,xfeasp]=feasp(LMIs);
که xfeasp شامل متغیر های تصمیم و tmin متغیری است که باید در بهینه سازی منفی گردد.
اکنون برای مشاهده متغیر ها بایستی آنها را به فرم ماتریسی دربیاوریم که این کار با دستور زیر برای مثال قبل امکان پذیر است:
X=dec2mat(LMIs,xfeasp,X);
S=dec2mat(LMIs,xfeasp,S);
پس از این با اجرای فایل نوشته شده نرم افزار به ما میگوید که آیا نامعادلات ماتریسی خطی نوشته شده به ازای پارامتر های موجود امکان پذیر میباشند یا خیر و ما میتوانیم با مشاهده نتایج خواسته های خود را دنبال نماییم.
2- مدل فازی تاکاگی- سوگنو و جبران سازی موازی توزیع شده
2-1- مقدمه
در سال های اخیر شاهد رشد سریع محبوبیت سیستم های کنترل فازی در کاربرد های مهندسی بوده ایم. کاربرد های موفقیت آمیز و بیشمار کنترل فازی موجب انجام فعالیت های گسترده در زمینه آنالیز و طراحی سیستم های کنترل فازی شده است.
این فصل به معرفی مفاهیم پایه، آنالیز و فرآیند های طراحی مدل فازی تاکاگی- سوگنو و جبران سازی موازی توزیع شده میپردازد. این فصل با معرفی مدل فازی تاکاگی- سوگنو آغاز شده و با روند ایجاد چنین مدل هایی دنبال میشود. سپس یک طراحی کنترل کننده فازی مبتنی بر مدل (model-based) که از مفهوم " جبران سازی موازی توزیع شده" بهره میبرد، تشریح شده است.
مدل فازی تاکاگی- سوگنو
تشریح روند طراحی را با نمایش دادن یک سیستم غیر خطی توسط مدل فازی تاکاگی- سوگینو آغاز میکنیم.
مدل پیشنهاد شده توسط تاکاگی و سوگنو توسط قوانین فازی اگر- آنگاه که رابطه محلی خطی ورودی- خروجی یک سیستم غیر خطی را نشان میدهند، توصیف میشود. مشخصه اصلی یک مدل فازی تاکاگی- سوگنو بیان دینامیک های محلی هر قانون فازی توسط یک مدل خطی سیستم است. مدل فازی کلی سیستم با ترکیب فازی مدل های خطی سیستم حاصل میشود.
i امین قانون از مدل فازی T-S برای سیستم های فازی پیوسته به شکل زیر است:
اگر و ... باشند. آنگاه:(2-1)
و برای سیستم های فازی گسسته به صورت زیر میباشد:
اگر و ... باشند. آنگاه:
(2-2)
که در رابطه فوق مجموعه فازی بوده و تعداد قوانین مدل میباشد. همچنین بردار حالت، بردار ورودی، بردار خروجی، به همراه و ماتریس های فضای حالت سیستم و و... متغیر های مفروض شناخته شده میباشند که این متغیر ها میتوانند تابعی از متغیر های حالت، اغتشاشات خارجی و یا زمان باشند. فرض ما بر این است که متغیر های مفروض تابعی از متغیر های ورودی نمیباشند چرا که در آن صورت فرآیند غیر فازی سازی کنترل کننده فازی بسیار پیچیده خواهد شد.
پس از غیرفازی سازی، سیستم فازی کلی برای سیستم های پیوسته در زمان را میتوان به فرم زیر نوشت:
(2-3)
همچنین برای سیستم های گسسته روابط بصورت زیر خواهند بود:
(2-4)
که پارامتر های موجود در روابط فوق به شرح زیر میباشند:

ساخت مدل فازی
بطور کلی دو روش برای ساخت مدل فازی وجود دارد که عبارتند از:
تعیین مدل با استفاده از داده های ورودی- خروجی
استخراج مدل از معادلات داده شده سیستم غیر خطی
فرآیند اول بطور عمده شامل دو بخش است: شناسایی ساختار و شناسایی پارامتر. این روش برای سیستم هایی که نشان دادن آنها توسط مدل های تحلیلی و یا فیزیکی دشوار یا غیرممکن است، مناسب میباشد. از سوی دیگر مدل های دینامیک غیرخطی برای سیستم های مکانیکی میتوانند به عنوان مثال با روش لاگرانژ و نیوتن- اویلر به آسانی به دست آیند. در این بخش تمرکز ما بر روی روش دوم خواهد بود که این روش از مفاهیم غیرخطی بودن قطعه ای و تقریب محلی و یا ترکیب آنها برای ساخت مدل فازی بهره میبرد.
غیرخطی بودن قطعه ای
سیستم ساده را در نظر بگیرید که در آن . هدف یافتن قطعه ای کلی است بطوریکه . شکل (2-1) روش غیرخطی بودن قطعه ای را نشان میدهد.

شکل (2-1): غیرخطی بودن کلی قطعه ای
این روش ساخت یک مدل فازی دقیق را تضمین مینماید. اما به هر حال گاهی یافتن قطعه های کلی برای سیستم های غیرخطی عمومی مشکل میباشد. در این موارد ما غیرخطی بودن محلی قطعه ای را در نظر میگیریم. این روش منطقی به نظر میرسد چراکه متغیر های سیستم های فیزیکی همیشه کراندار میباشند. شکل (2-2) غیرخطی بودن محلی قطعه ای را نشان میدهد که در آن دو خط در بازه قطعه های محلی محسوب میشوند. مدل فازی در ناحیه محلی یعنی بطور دقیق سیستم خطی را نمایش میدهد.

شکل (2-2): غیرخطی بودن محلی قطعه ای
مثال 1-1 گام های مشخص در ساخت مدل های فازی را تشریح مینمایند.
مثال 1-1
سیستم غیرخطی زیر را در نظر بگیرید:

برای سادگی فرض میکنیم که و . البته بدیهی که میتوانیم هر محدوده ای را برای آن دو برای ساخت مدل فازی متصور شویم.
معادله فوق را میتوان به فرم زیر نوشت:

که در رابطه فوق بوده و و ترم های غیرخطی میباشند. برای ترم های غیرخطی متغیر هایی را بصورت زیر تعریف میکنیم:

پس خواهیم داشت:

اکنون به محاسبه حداقل و حداکثر مقادیر و زمانیکه و باشند، میپردازیم:

با استفاده از مقادیر حداکثر و حداقل میتوان و را به فرم زیر نمایش داد:

که در رابطه فوق داریم:

بنابراین توابع عضویت بصورت زیر محاسبه میگردند:

توابع عضویت را به ترتیب مثبت، منفی، بزرگ و کوچک نام گذاری میکنیم. سپس سیستم غیرخطی با مدل فازی زیر به نمایش در می آید:
قانون شماره 1:
اگر مثبت و بزرگ باشند. آنگاه:

قانون شماره 2:
اگر مثبت و کوچک باشد. آنگاه:

قانون شماره 3:
اگر منفی و بزرگ باشد. آنگاه:

قاون شماره 4:
اگر منفی و کوچک باشد. آنگاه:

که داریم:

شکل های زیر توابع عضویت را نشان میدهند.

شکل (2-3): توابع عضویت و

شکل (2-4): توابع عضویت و
فرآیند غیرفازی سازی بصورت زیر انجام میپذیرد:

که در آن

این مدل فازی بطور دقیق سیستم خطی را در ناحیه بر روی فضای نمایش میدهد.
تقریب محلی در فضاهای تقسیم شده فازی
یک روش دیگر به منظور دست یافتن به مدل های فازی T-S روش تقریب محلی در فضاهای تقسیم شده فازی میباشد. اساس این روش تقریب ترم های غیرخطی توسط ترم های خطی است که خردمندانه انتخاب شده اند. این روش منجر به کاهش تعداد قوانین مدل میشود. تعداد قوانین مدل مستقیما" با پیچیدگی تحلیل و طراحی شرایط LMI متناسب است. اگر چه در این روش تعداد قوانین کاهش می یابد، اما طراحی قوانین کنترل مبتنی بر مدل فازی تقریب زده شده ممکن است پایداری سیستم های غیرخطی اصلی را تحت این قوانین کنترل تضمین نکند.
جبرانسازی توزیع شده موازی
تاریخچه جبرانسازی توزیع شده موازی با یک فرآیند طراحی مبتنی بر مدل ارائه شده توسط کانگ و سوگنو آغاز میشود. اما پایداری سیستم های کنترل در آن فرآیند طراحی مد نظر قرار نگرفته بود. به مرور فرآیند طراحی بهبود یافت و پایداری سیستم های کنترل در ]17[ مورد تحلیل واقع شد و فرآیند طراحی در ]13[ جبرانسازی توزیع شده موازی نام گرفت.
PDC یک فرآیند برای طراحی کنترل کننده فازی از روی مدل فازی T-S داده شده پیشنهاد میکند. برای درک PDC، یک سیستم کنترل شده (سیستم غیرخطی) در ابتدا توسط یک مدل فازی T-S به نمایش در می آید. تأکید میکنیم که بسیاری از سیستم های واقعی، برای مثال سیستم های مکانیکی و سیستم های بی نظم، را میتوان توسط مدل های فازی T-S به نمایش درآورد.
در طراحی PDC هر قانون کنترل از روی قانون متناظر یک مدل فازی T-S طراحی میشود. کنترل کننده فازی طراحی شده مجموعه های فازی یکسانی را با مدل فازی در بخش های مفروض به اشتراک میگذارد.
برای مدل های فازی (2-1) و (2-2) کنترل کننده فازی ساخته شده از طریق PDC بصورت زیر است:
اگر و ... باشند. آنگاه:
(2-5)
قوانین کنترل فازی دارای یک کنترل کننده خطی (در این مورد قوانین فیدبک حالت) در بخش نتیجه میباشند. میتوانیم از دیگر کنترل کننده ها نظیر کنترل کننده های فیدبک خروجی و کنترل کننده های فیدبک خروجی دینامیک به جای کنترل کننده های فیدبک حالت استفاده کنیم.
کنترل کننده فازی کلی را میتوان بصورت زیر به نمایش درآورد:
(2-6)
اکنون چنانچه این کنترل کننده را به خروجی سیستم فازی در حالت گسسته در زمان یعنی
(2-7)
اعمال نماییم، سیستم حلقه بسته بصورت زیر خواهد بود:
(2-8)
اکنون با اعمال قضیه پایداری لیاپانوف به این نتیجه میرسیم که سیستم (2-7) بطور مجانبی پایدار است چنانچه یک ماتریس معین مثبت مشترکی مانند وجود داشته باشد بطوریکه نامعادلات ماتریسی زیر برقرار باشند:
(2-9)
توجه نمایید که میتوانیم سیستم (2-7) را بصورت زیر بنویسیم:
(2-10)
که در آن:

بنابراین میتوان تئوری زیر را جهت بیان شرایط کافی پایداری سیستم (2-7) بیان نمود.
تئوری 2-1
نقطه تعادل سیستم فازی (2-7) بطور مجانبی پایدار است چنانچه ماتریس معین مثبت مشترکی مانند وجود داشته باشد بطوریکه نامعادلات ماتریسی زیر برقرار باشند:
(2-11)
پس طراحی کنترل کننده فازی برابر است با تعیین بهره های فیدبک محلی به گونه ای که شرایط بیان شده در تئوری 2-1 برقرار باشند. بطور کلی، ابتدا بایستی یک کنترل کننده برای هر قانون طراحی نماییم و بررسی نماییم که آیا شرایط پایداری برقرار میباشند یا خیر. چنانچه شرایط برقرار نبود بایستی فرآیند را تکرار نماییم تا شرایط مورد نظر برقرار گردند.
با PDC یک فرآیند ساده برای کار با سیستم های غیرخطی در اختیار داریم. دیگر تکنیک های کنترل غیرخطی نیازمند دانش ویژه و نسبتا" پیچیده میباشند.
3- کنترل کننده های استاتیکی خروجی
3-1- مقدمه
بسیاری از سیستم های فیزیکی دارای حالت های محدودی جهت اندازه گیری و باز خورد نمودن برای سیستم کنترلی میباشند و معمولا" یک بردار حالت کامل جهت اندازه گیری و استفاده در حلقه فیدبک در دسترس نیست بلکه تنها بخشی از آن توسط بردار خروجی پوشش داده میشود. در این حالت دو راهکار برای برخورد با این مشکل وجود دارد. در راهکار اول میتوان یک مشاهده گر کاهش رتبه یافته جهت حصول نیازمندی های فیدبک حالت کامل طراحی نمود که موجب ایجاد دینامیک های اضافی و پیچیده شدن طراحی میگردد. راه دیگر استفاده از فیدبک استاتیک خروجی (SOF) میباشد که به دلیل اینکه به هیچ دینامیک اضافه ای نیاز ندارد و تنها از خروجی های قابل اندازه گیری در طراحی فیدبک آن استفاده میشود، طراحی آن ساده میباشد و از نقطه نظر اجرایی از نظر هزینه به صرفه تر و قابل اطمینان تر از فیدبک دینامیکی میباشد. علاوه بر آن بسیاری از مسائل قابل کاهش به انواع آن میباشند. به بیان ساده، مسأله فیدبک استاتیک خروجی عبارتست از فیدبک استاتیک خروجی که باعث گردد سیستم حلقه بسته برخی ویژگی های مورد نظر را داشته باشد و یا تعیین اینکه چنین فیدبکی وجود ندارد.
مسئله فیدبک استاتیک خروجی نه تنها به خودی خود از اهمیت بالایی برخوردار است بلکه از آنجاییکه بسیاری از مسائل دیگر قابل تقلیل به انواع مختلف آن میباشند، نیز موجب مورد توجه قرار گرفتن آن گردیده است. به عنوان مثال زمانی که به دلیل هزینه و قابلیت اطمینان بایستی یک کنترل کننده ساده مورد استفاده قرار گیرد و یا آنجاییکه در برخی کاربرد ها به دلیل نیاز تنظیماتی خاص در پارامتر هایی مشخص به منظور کنترل یک سیستم فیزیکی طراح نیازمند آنست که تعداد پارامتر ها تا حد امکان کاهش دهد.
اگر چه در دهه های اخیر مسأله کنترل کننده فیدبک خروجی بطور دقیق مورد مطالعه قرار گرفته است اما برخلاف مسأله فیدبک حالت، فیدبک خروجی همچنان به عنوان یکی از مسائل مطرح در مهندسی کنترل شناخته میشود.
3-2- پایدار سازی توسط فیدبک استاتیک خروجی
مسأله پایداری فیدبک استاتیک خروجی جزو مورد علاقه ترین مسائل کنترل است که تا هم اکنون پاسخ کامل و روشنی برای آن در دسترس نیست. در دهه های اخیر روش های گوناگونی جهت اعمال به این مسأله ارائه گردیده است. مسأله کنترلی فیدبک خروجی به هنگام مقایسه با مسائل کنترلی فیدبک حالت دشواری خود را بیشتر به نمایش میگذارد. تفاوت اساسی بین مسائل پایدار سازی فیدبک حالت و خروجی اینست که در حالیکه پایدار سازی بوسیله فیدبک حالت به یک مسأله محدب ختم میشود، فیدبک خروجی موجب تبدیل مسأله به یک مسأله غیرمحدب میگردد و موجب دشواری های محاسباتی میشود. چراکه پاسخ یک مسأله محدب را میتوان توسط جعبه ابزار برخی نرم افزار ها نظیر جعبه ابزار LMI در نرم افزار MATLAB، یافت که نیازمند یک زمان چند جمله ای میباشد و بسیاری از مسائل کنترلی مهم که از فیدبک حالت بهره میبرند را میتوان توسط تکنیک های نامعادله ماتریسی خطی حل نمود. از سوی دیگر یافتن پاسخ یک مسأله غیرمحدب بطور عمومی نیازمند یک زمان غیر چند جمله ای میباشد به این معنا که یک افزایش کوچک در ابعاد به دلیل افزایش بسیار زیاد زمان محاسبات موجب عدم کارآیی الگوریتم میگردد.
در این بخش به بحث در مورد مسئله پایدار سازی یک سیستم حلقه باز ناپایدار توسط فیدبک استاتیک خروجی میپردازیم. در ابتدا برخی شرایط لازم و سپس برخی شرایط کافی برای قابل حل بودن مسئله را ارائه خواهیم نمود. پس از آن برخی روش های مورد استفاده برای یافتن بهره پایدار ساز را مورد بحث قرار میدهیم.
3-2-1- شرایط لازم
در ابتدا به شناسایی مواردی خواهیم پرداخت که فیدبک استاتیک نمیتواند یک سیستم حقله باز ناپایدار را پایدار سازد. به منظور بیان این شرایط تئوری های زیر را مد نظر قرار میدهیم:
تئوری 3-1
یک سیستم خطی با تابع تبدیل توسط یک جبرانساز پایدار پایدار پذیر است، اگر و تنها اگر تعداد قطب های حقیقی بین هر جفت از صفر های حقیقی مسدود کننده در نیم صفحه راست زوج باشد. سیستمی که محدودیت های قطب- صفر را برآورده میکند، برآورده کننده PIP گفته میشود.
تئوری 3-2
یک سیستم خطی با تابع تبدیل توسط یک جبرانساز پایدار که هیچ صفر حقیقی ناپایداری ندارد، پایدار پذیر است اگر و تنها اگر:
برآورده کننده PIP باشد.
تعداد صفر های حقیقی مسدود کننده بین هر دو قطب حقیقی زوج باشد.
در این مورد گفته میشود که ، PIP زوج را برآورده مینماید.
با استفاده از تئوری 3-2 شرط لازم ذیل بدست می آید.
شرط لازم: شرط لازم جهت پایداری پذیری توسط فیدبک استاتیک خروجی آنست که سیستم با تابع تبدیل ، PIP زوج را برآورده سازد.
مثال 3-1
سیستمی که دارای تابع تبدیل زیر است:

برای ، PIP را برآورده نمیکند و بنابراین توسط SOF پایدار نمیگردد. به ازای ، PIP زوج برآورده شده و برای مقادیر به اندازه کافی کوچک یک تحلیل ساده مکان هندسی ریشه ها نشان میدهد که سیستم توسط SOF پایداری پذیر میباشد.
3-2-2- شرایط کافی
با توجه به تحلیل های صورت گرفته در این زمینه مانند مکان هندسی ریشه، میتوان گفت که مینیمم فاز بودن و شرایط درجه نسبی شروط لازم و کافی جهت بطور اکید حقیقی مثبت (SPR) ساختن یک سیستم مربعی (تعداد ورودی ها و خروجی ها برابر باشند) با استفاده از فیدبک استاتیک خروجی میباشند.
3-2-3- روش های طراحی و محدودیت ها
در مورد سیستم های تک ورودی- تک خروجی (SISO)، روش های گرافیکی نظیر مکان هندسی ریشه ها و نایکوئیست جهت پاسخگویی به مسائل وجود و طراحی کنترل کننده های استاتیکی خروجی پایدار ساز استفاده میشوند. علاوه بر آن برخی تست های جبری لازم و کافی برای وجود فیدبک های خروجی پایدار ساز وجود دارند (Ielmke and Anderson,1992; Perez et al.,1993). به هر حال این تست ها نیازمند برخی اقدامات ابتدایی نظیر یافتن ریشه ها و مقادیر ویژه میباشند که موجب میشود دشواری آنها کمتر از روش های گرافیکی نباشد. علاوه بر آن این روش ها به راحتی قابل تعمیم به سیستم های چند ورودی- چند خروجی (MIMO) نمیباشند.
در این بخش به بیان اجمالی برخی نتایج که در حل مسائل مربوط به فیدبک استاتیک خروجی مفید میباشند خواهیم پرداخت و ویژگی های آنها را مورد بررسی قرار میدهیم. ایده کلی آنست که یک فیدبک استاتیک خروجی پایدار ساز بایستی یک عضو از خانواده تمامی جبرانساز های فیدبک خروجی پایدار ساز باشد.
روش مرتبه دوم خطی معکوس
سیستم زیر را در نظر بگیرید:
(3-1)
و در نظر میگیریم. علامت خنجر بیانگر معکوس Moore-Penrose میباشد. آنگاه سیستم توسط فیدبک استاتیک خروجی پایدار پذیر است اگر و تنها اگر ماتریس های ، و با ابعاد مناسب وجود داشته باشند بطوریکه معادله جبری زیر یک جواب یکتای داشته باشد.
(3-2)
مشکل در این است که در حقیقت نمیتوان به سادگی ماتریس های ، و را انتخاب نمود و همچنین معادله فوق را برای حل نمود.
قابل تعیین بودن کواریانس توسط فیدبک خروجی
ایده اصلی در پشت تئوری کنترل کواریانسی عبارتست از فراهم نمودن یک توصیف از تمامی ماتریس های کواریانس قابل تعیین و پارامتریزه کردن تمامی کنترل کننده هایی که یک کواریانس خاص را تعیین مینمایند (Hotz and Skelton,1987;Yasuda et al.,1993;Skelton and Iwasaki,1993). یک سیستم تصادفی را بصورت زیر در نظر بگیرید:
(3-3)
که در آن اغتشاشی از نویز سفید با میانگین صفر و شدت میباشد، ماتریس کواریانس حالت پایدار بردار حالت بصورت زیر تعریف میگردد:
(3-4)
که در آن بیانگر امید ریاضی میباشد. برای یک قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی ، به خوبی شناخته شده است که معادله لیاپانوف زیر را حل مینماید:
(3-5)
ماتریس یک کواریانس قابل تعیین نامیده میشود چنانچه بهره کنترل کننده ای مانند وجود داشته باشد که معادله فوق را برآورده نماید. چنانچه پایدار پذیر و کنترل پذیر باشند آنگاه، با استفاده از تئوری پایداری لیاپانوف، معادل پایداری سیستم حلقه بسته میباشد. نتیجه ذیل تمامی کواریانس های قابل تعیین توسط فیدبک استاتیک خروجی را پارامتریزه مینماید (Yasuda et al.,1993).
تئوری 3-3
ماتریس یک کواریانس قابل تعیین توسط فیدبک استاتیک خروجی میباشد اگر و تنها اگر معادلات زیر را برآورده نماید:
(3-6)
(3-7)
(3-8)
که در آن:

یک روش پارامتریزه کردن تمامی بهره های فیدبک استاتیک خروجی که سیستم را پایدار و یک کواریانس قابل تعیین خاص را مشخص مینمایند در ادامه ارائه گردیده است(Yasuda et al.,1993).
تئوری 3-4
اگر یک ماتریس کواریانس قابل تعیین باشد. آنگاه تمامی بهره های فیدبک استاتیک خروجی که را برای سیستم حلقه بسته تعیین میکنند بصورت زیر پارامتریزه میگردند:
(3-9)
که در آن:

و یک ماتریس دلخواه و یک ماتریس دلخواه پادمتقارن است.
شرایط (3-6) تا (3-9) را میتوان بصورت پارامتریزه نمودن فضای حالت تمامی بهره های فیدبک استاتیک خروجی پایدار ساز بر حسب ماتریس کواریانس حالت دانست. دشواری عمده در تئوری کنترل کواریانسی رسیدن به این مهم است که آیا برای معادلات (3-8)- (3-6) یک پاسخ مشترک وجود دارد و اگر وجود دارد چگونه میتوان آنرا یافت. زمانی که یک پاسخ مشترک یافت گردید، فرآیند پارامتریزه نموده (3-9) تمامی بهره های استاتیکی را فراهم میکند که سیستم را پایدار میکنند و را بعنوان یک کواریانس حلقه بسته تعیین مینمایند.
روش محدودیت ساختاری خروجی
مسئله فیدبک استاتیک خروجی را میتوان بصورت یک مسئله فیدبک حالت در نظر گرفت که در آن بهره های فیدبک در معرض یک محدودیت ساختاری قرار دارند. بطور ویژه، پایدار است اگر و تنها اگر پایدار باشد که در آن و یک پایه متعامد بهنجار از فضای پوچی است. ماتریس های الحاقی زیر را تعریف مینماییم:
(3-10)
و همچنین توابع زیر را در نظر میگیریم:
(3-11)
(3-12)
که در آنها یک ماتریس متقارن بصورت زیر است:

یک شر لازم و کافی برای پایدار سازی خروجی را میتوان بصورت زیر بیان نمود:
تئوری 3-5
بهره فیدبک استاتیک خروجی پایدار سازی وجود دارد، اگر و تنها اگر:
(3-13)
که در آن:

بیانگر فضای پوچی است. مجموعه تمامی بهره های فیدبک استاتیک خروجی پایدار ساز بصورت زیر پارامتریزه میگردند:
(3-14)
که در آن .
مجموعه محدب است، اما غیرمحدب است و موجب دشواری بررسی شرط (3-13) میگردد.
فرمولبندی نامعادلات ماتریسی خطی مزدوج
شرایط لازم و کافی برای فیدبک استاتیک خروجی را میتوان بر حسب نامعادلات ماتریسی خطی مزدوج و به دنبال آن روش تابع درجه دوم لیاپانوف بدست آورد. از تئوری پایداری لیاپانوف میدانیم که ماتریس سیستم حلقه بسته پایدار است، اگر و تنها اگر به ازای برخی نامعادله ماتریسی زیر را برآورده نماید:
(3-15)
برای مقادیر ثابت ، نامعادله فوق یک نامعادله ماتریسی خطی بر حسب است. LMI فوق بر حسب محدب است و میتوان از تکنیک های برنامه نویسی محدب برای یافتن بطور عددی زمانی که مشخص باشد استفاده کرد.
شرایط لازم و کافی برای پایدار سازی فیدبک استاتیک خروجی را میتوان بوسیله یافتن شرایط حل پذیری نامعادله فوق بر حسب بدست آورد.
تئوری 3-6
یک بهره فیدبک استاتیک خروجی پایدار ساز وجود دارد اگر و تنها اگر وجود داشته باشد بطوریکه:
(3-16)
(3-17)
که در آن و ماتریس های رتبه کاملی هستند که به ترتیب بر و متعامد میباشند.
نامعادله (3-16) از نامعادله (3-15) با ضرب کردن آن از سمت چپ با و از سمت راست با حاصل میشود. نامعادله (3-17) نیز از ضرب نامعادله (3-15) از سمت چپ و راست با و سپس ضرب نمودن از سمت چپ با و از سمت راست با بدست می آید. در برخی منابع نشان داده شده است که عکس این مورد نیز صحیح است، به این معنا که اگر یک وجود داشته باشد که نامعادلات (3-16) و (3-17) را برآورده نماید آنگاه یک بهره فیدبک استاتیک خروجی پایدار ساز وجود خواهد داشت.
تئوری 3-7
تمامی بهره های فیدبک استاتیک پایدار ساز را میتوان بصورت زیر پارامتریزه نمود:
(3-18)
که در آن:

همچنین یک ماتریس معین مثبت است که نامعادلات (3-16) و (3-17) را برآورده مینماید و ماتریسی است که .
توجه نمایید که (3-16) یک LMI بر حسب و (3-17) یک LMI بر حسب میباشد، اما یافتن یک چنین کاری دشوار است، چراکه این دو نامعادله بر حسب محدب نمیباشند.
تا بدین جا مشخص گردید که تمامی تئوری های ارائه شده دارای محدودیت هایی بوده و یافتن بهره ها با استفاده از این الگوریتم ها دشوار و گاها" ناممکن مینماید. در ادامه به ارائه تئوری میپردازیم که شروط کافی جهت پایدار سازی سیستم توسط فیدبک استاتیک خروجی را بیان مینماید و نتایج آن در فصول آینده مورد استفاده قرار میگیرد.
شرایط LMI کافی برای مسئله کنترل فیدبک خروجی
سیستم پیوسته با زمان زیر را در نظر میگیریم:
(3-19)
که در آن ، و ماتریس های حالت سیستم میباشند. بسیار واضح است که سیستم (3-19) از طریق فیدبک حالت قابل پایدار سازی است اگر و تنها اگر ماتریس معین مثبت و با ابعاد مناسب وجود داشته باشند بطوریکه:
(3-20)
با ضرب نامعادله فوق از دو طرف در خواهیم داشت:
(3-21)
اکنون با تعریف معادله فوق نیز بصورت زیر تبدیل خواهد شد:
(3-22)
در حقیقت این یک نتیجه شناخته شده از میباشد که نامعادله بالا بر حسب متغییر های و امکان پذیر است اگر و تنها اگر ماتریس های و پایدار پذیر باشند، انگاه فیدبک سیستم (3-19) را پایدار میسازد. یافتن یک پاسخ برای این مسأله یا بیان اینکه مسأله امکان پذیر نمیباشد با الگوریتم های موجود به سادگی صورت میپذیرد.
اکنون حالت فیدبک استاتیک خروجی را در نظر میگیریم، یعنی قانون کنترلی مورد نظر ساختاری بصورت یا بطور معادل با دارد. از رابطه (3-21) داریم:
(3-23)
به دلیل اینکه نامعادلات ماتریسی فوق بطور کلی محدب نمیباشند، حل عددی آنها برای و بسیار دشوار میباشد. در ارتباط با این مسأله غیرمحدب، مسأله محدب زیر را داریم:
تعریف 3-1- مسأله W
ماتریس های معلوم ، و ماتریس رتبه کامل سطری را در نظر میگیریم. مسأله W شامل یافتن، در صورت امکان، ماتریس های ، و میشود بطوریکه:
(3-24)
مسألهW دارای دو جنبه مهم است: محدب میباشد و از اینرو میتوان آنرا را با الگوریتم های کارآمد حل نمود، علاوه بر آن چنانچه امکان پذیر باشد آنگاه مسأله پایدار سازی فیدبک استاتیک خروجی (3-23)، که محدب نمیباشد، نیز امکان پذیر خواهد بود که در ادامه نشان داده خواهد شد.
تئوری 3-8
اگر ، و پاسخ های مسأله Wباشند. آنگاه فیدبک
(3-25)
سیستم (3-19) را پایدار میسازد.
اثبات:اگر رتبه سطری کامل باشد، آنگاه از نتیجه میشود که نیز رتبه کامل است و بنابراین معکوس پذیر است در نتیجه . با استفاده از این حقیقت و تعریف رابطه (3-23) را از رابطه (3-24) بدست خواهیم آورد.
چنانچه نقطه آغاز کار را به جای رابطه (3-21)، رابطه (3-20) در نظر بگیریم، نتیجه حاصل بصورت زیر خواهد بود:
تعریف 3-2- مسألهP
ماتریس های معلوم ، و ماتریس رتبه کامل ستونی را در نظر میگیریم. مسأله P شامل یافتن، در صورت امکان، ماتریس های ، و میشود بطوریکه:
(3-26)
استنباط 1: اگر ، و پاسخ های مسألهP باشند. آنگاه فیدبک
(3-27)
سیستم (3-19) را پایدار میسازد.
امکان پذیری هر کدام از مسائلP یا W یک شرط کافی برای مسأله فیدبک استاتیک خروجی میباشد و این مزیت را دارد که به دلیل محدب بودن میتوان آنرا با الگوریتم های موثر و کارآمد مورد بررسی قرار داد.
نتایج برای سسیتم های گسسته در زمان بصورت زیر خواهد بود.
سیستم گسسته در زمان زیر را در نظر میگیریم:
(3-28)
همتای گسسته در زمان (3-23) بصورت زیر خواهد بود:
(3-29)
براساس این نامعادله ماتریسی نتایج زیر را بدست می آوریم:
تعریف 3-3- مسألهP گسسته
ماتریس های معلوم ، و ماتریس رتبه کامل ستونی را در نظر میگیریم. مسأله P گسسته شامل یافتن، در صورت امکان، ماتریس های ، و میشود بطوریکه:
(3-30)
تعریف 3-4- مسألهW گسسته:
ماتریس های معلوم ، و ماتریس رتبه کامل سطری را در نظر میگیریم. مسأله W گسسته شامل یافتن، در صورت امکان، ماتریس های ، و میشود بطوریکه:
(3-31)
مشابه مورد پیوسته با زمان نشان دادن اینکه چنانچه مسأله Pامکان پذیر باشد آنگاه قانون کنترلی سیستم (3-28) را پایدار میسازد کار دشواری نیست، همچنین چنانچه مسأله Wامکان پذیر باشد آنگاه قانون کنترلی سیستم (3-28) را پایدار میسازد.
4- طراحی کنترل کننده فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی H∞ برای سیستم های غیرخطی توصیف شده با مدل تاکاگی- سوگنو T-S
مقدمه
یک سیستم غیرخطی به مجموعه ای از معادلات غیرخطی گفته میشود که برای توصیف یک دستگاه یا فرآیند فیزیکی بکار گرفته میشوند که نمیتوان آن را توسط مجموعه ای از معادلات خطی تعریف نمود. سیستم های دینامیکی به عنوان یک مترادف برای سیستم های فیزیکی یا ریاضی استفاده میشود زمانیکه معادلات توصیف کننده نمایانگر تکامل یک پاسخ با زمان یا گاهاً با ورودی های کنترل و/ یا دیگر پارامتر های متغیر میباشند.
امروزه سیستم های کنترل غیرخطی جهت توصیف گستره وسیعی از پدیده های علمی و مهندسی استفاده میشوند. از پدیده های اجتماعی، زندگی و فیزیکی گرفته تا مهندسی و تکنولوژی. تئوری سیستم های کنترل غیرخطی برای طیف وسیعی از مسائل در فیزیک، شیمی، ریاضیات، زیست، پزشکی، اقتصاد و شاخه های مختلف مهندسی بکار گرفته شده است.
تئوری پایداری نقش مهمی در سیستم های مهندسی به ویژه در حوزه سیستم های کنترل و اتوماسیون دارد. پایداری یک سیستم دینامیکی با یا بدون ورودی های کنترلی و اغتشاش یک نیاز اساسی برای مقادیر عملی آن به ویژه در اکثر کاربرد های جهان واقعی محسوب میشود. میتوان گفت پایداری به این معناست که خروجی های سیستم و سیگنال های درونی آن در حدودی قابل قبول محدود باشند (اصطلاحاً پایداری ورودی محدود- خروجی محدود) و یا میتوان گفت خروجی های سیستم به یک حالت تعادل مورد نظر میل کنند (پایداری مجانبی).
مسائل پایدار سازی و کنترل سیستم های غیرخطی از جمله مهمترین مسائل موجود در تئوری کنترل میباشند. تاکاگی و سوگنو (T-S) روشی معروف جهت حل این مسئله در ]12[ ارائه کرده اند. روش آنها عبارتست از تبدیل سیستم غیرخطی اولیه به زیر مجموعه های خطی محلی بیان شده با قوانین اگر- آنگاه با استفاده از روش مدل سازی فازی و پس از آن پیاده سازی روش های طراحی کنترل سیستم های خطی و تولید یک کنترل کننده کننده جبرانسازی توزیع شده موازی (PDC)، به ]14[ مراجعه شود. کنترل کننده حاصل ترکیبی فازی از تمامی کنترل کننده های خطی محلی خواهد بود.
نه تنها پایدار سازی، بلکه عملکرد سیستم حلقه بسته نیز بایستی در یک PDC برای یک مدل فازی T-S یک سیستم غیرخطی اولیه در نظر گرفته شود. بطور خاص، برخی از محققان به طرز موفقیت آمیزی مسئله کنترل تعقیب فازی را برای سیستم های غیرخطی در نظر گرفته اند. با بکار گیری این روش ها، روش های کنترلی متفاوتی توسعه داده شده اند بطوریکه سیستم حلقه بسته نهایی پایدار گردد و همچنین معیار خطای تعقیب به ازای سیگنال های مرجع و محدود کمینه میشود. در بین نتایج متعددی که برای حل این مسئله وجود دارد، چند روش مهم به چشم میخورد که به نظر میرسد جهت کار بر روی مسئله کنترل تعقیب فازی فیدبک استاتیک مناسب تر میباشند، ]3[-]1[. در این نتایج یک کنترل کننده محلی اگر- آنگاه مبتنی بر مشاهده گر و یک الگوریتم دو مرحله ای جهت یافتن بهره کنترل کننده ها و مشاهده گرها ارائه شده است.
علیرغم موفقیت روش های ذکر شده در بالا، همچنان مشکلاتی جهت پرداختن به آنها وجود دارد. برای سیستم های غیرخطی که پس از مدل سازی فازی T-S، با تعداد زیر سیستم های خطی اگر- آنگاه زیادی مواجه میشویم، کنترل کننده نهایی حاصل از روش های بالا بسیار پیچیده خواهد بود و پیاده سازی عملی آن محدود و گاها" غیرممکن خواهد شد.
از سوی دیگر، بکار گرفتن کنترل کننده های فیدبک استاتیک خروجی (SOF) برای مسائل مختلف در حوزه سیستم های فازی برای بسیاری از محققان مورد علاقه بوده است. سادگی در پیاده سازی عملی کنترل کننده های SOF انگیزش اصلی فعالیت در این زمینه میباشد. با اینحال، طراحی این دسته از کنترل کننده ها بسیار پیچیده تر از کنترل کننده های فیدبک خروجی رتبه کامل معمولی میباشد.
در ادامه به ارائه پاسخی برای مسئله کنترل تعقیب فازی از طریق انتخاب یک ساختار کنترل کننده SOF خواهیم پرداخت.
طراحی کنترل کننده در این بخش به ارائه یک روش مبتنی بر LMI-LME جهت طراحی کنترل کننده SOF برای نیل به تعقیب فازی برای سیستم های غیرخطی توصیف شده با مدل تاکاگی- سوگنو T-S خواهیم پرداخت. تاکاگی و سوگنو یک مدل دینامیکی فازی به منظور به نمایش درآوردن یک سیستم غیرخطی بوسیله درون یابی تکه ای چندین مدل محلی خطی به واسطه توابع عضویت ارائه نمودند. هر مدل خطی در حقیقت توسط یک قانون اگر- آنگاه بیان میشود. اکنون ما یک سیستم غیرخطی را که میتوان آنرا توسط مدل فازی T-S زیر توصیف کرد در نظر میگیریم:
قانون شماره i سیستم:
اگر و ... باشند. آنگاه:
(4-1)
که در رابطه فوق مجموعه فازی بوده و تعداد قوانین مدل میباشد. همچنین بردار حالت، ورودی کنترلی، خروجی اندازه گیری شده، به همراه و ماتریس های فضای حالت سیستم و و... متغیر های مفروض شناخته شده میباشند. همچنین اغتشاش خارجی کران دار بوده و نویز اندازه گیری کران دار است. با استفاده از فرآیند غیرفازی سازی، سیستم فازی کلی را میتوان به فرم زیر نوشت:
(4-2)
که در آن داریم:

میزان تعلق نسبی را به مشخص میکند.
اکنون یک مدل مرجع را بصورت زیر در نظر میگیریم:
(4-3)
که در آن بردار حالت مرجع بوده، یک ماتریس پایدار مجانبی را مشخص میکند و بردار خروجی میباشد و همچنین ورودی مرجع کران دار میباشد. فرض بر اینست که برای تمامی زمان های یک خط سیر مطلوب برای را به نمایش میگذارد. اکنون عملکرد تعقیب مربوط به خطای تعقیب، ، را بصورت زیر در نظر میگیریم:
(4-4)
که در آن زمان پایان کنترل است، یک ماتریس وزن دهی نیمه معین مثبت مشخص میباشد و برای تمامی اغتشاشات خارجی ، نویز اندازه گیری و سیگنال مرجع و همچنین سطح تضعیف تعیین شده میباشد. مفهوم فیزیکی رابطه (4-5) آنست که تأثیر هر بر روی خطای تعقیب بایستی تا میزانی کمتر از سطح مطلوب تضعیف گردد.
اکنون به منظور حصول چنین عملکردی اقدام به تعریف کنترل کننده فیدبک استاتیک خروجی زیر مینماییم:
قانون کنترل شماره j:
اگر و ... ، آنگاه:
(4-5)
اکنون چنانچه ما قانون کنترلی (4-6) را به سیستم (4-2) اعمال کنیم سیستم حلقه بسته زیر بدست می آید. برای سادگی از به جای استفاده میکنیم.
(4-6)
که در آن داریم:

و همچنین خواهیم داشت:
(4-7)
که در آن داریم:

تعریف 4-1
سیستم فازی T-S (4-2)، مدل مرجع (4-3) و عملکرد تعقیب (4-4) را در نظر بگیرید. قانون کنترلی (4-5) یک قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی میباشد، چنانچه (4-2) را پایدار سازد و (4-4) را برآورده نماید.
اصل 4-1
قانون کنترلی (4-5) یک قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی میباشد چنانچه ماتریس معین مثبت وجود داشته باشد بطوریکه نامعادلات زیر برقرار باشند:
(4-8)
اثبات
تابع لیاپانوف را بصورت زیر در نظر میگیریم:
(4-9)
مشتق تابع فوق بصورت زیر خواهد بود:
(4-10)
اکنون به منظور حصول محدودیت تعقیب بر روی سیستم حلقه بسته، فرض میکنیم که از مقدار زیر کمتر باشد:
(4-11)
در نتیجه خواهیم داشت:
(4-12)
نامعادله بالا را میتوان بصورت نامعادله ماتریسی زیر نوشت:
(4-13)
از اینرو چنانچه شرایط زیر
(4-14)
برای یک مشترک برقرار باشد، نتایج زیر حاصل خواهد شد:
منفی بودن ترم در بیانگر پایداری سیستم حلقه بسته میباشد. این امر همچنین بیان میکند که برای هر سیگنال کران دار ، حالت کران دار باقی خواهد ماند.
با انتگرال گیری از (4-12) خواهیم داشت:
(4-15)
کران دار باقی خواهد ماند چرا که اثبات کردیم که سیستم حلقه بسته پایدار است و فرض نمودیم که سیگنال ورودی کران دار میباشد. از اینرو خواهیم داشت:
(4-16)
همچنین داریم:
(4-17)
در نتیجه خواهیم داشت:
(4-18)
با استدلال فوق اثبات به پایان میرسد.
اکنون هدف اصلی آن است که یک روش تک مرحله ای مبتنی بر LMI-LME جهت طراحی قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی برای سیستم فازی T-S (4-2) و شرط (4-4) ارائه دهیم.
تئوری 4-1
سیستم فازی T-S (4-2)، مدل مرجع (4-3) و شرط تعقیب (4-4) را در نظر بگیرید. فرض کنید ماتریس های معین مثبت ، ، به ازای و ماتریس معکوس پذیر مشترک وجود داشته باشند بطوریکه نامعادلات ماتریسی خطی (4-19) تا (4-22) و معادله ماتریسی خطی (4-23) برای مقدار تعیین شده نرم یعنی در (4-4) برقرار باشند. آنگاه قانون کنترلی (4-5) را که میتوان از (4-24) بدست آورد یک قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی میباشد.
(4-19)

که در آن داریم:

و
(4-20)

که در آن داریم:

و
(4-21)

که در آن:

و
(4-22)
و
(4-23)
آنگاه بهره کنترل کننده استاتیکی از رابطه زیر بدست می آید:
(4-24)
اثبات
تئوری1 از ]14[ بیان میدارد که نقطه تعادل سیستم فازی پیوسته با زمان توصیف شده با (4-6) بطور سراسری پایدار مجانبی است چنانچه وجود داشته باشد بطوریکه شروط زیر برقرار باشند:
(4-25)
که در آن:

اکنون با استفاده از متمم Schur و نتایج بالا نامعادلات ماتریسی (4-14) را میتوان بصورت زیر نوشت:
(4-26)
و
(4-27)
و
(4-28)
اکنون چنانچه نامعادله ماتریسی (4-26) را در نظر بگیریم باید به نحوی آنرا به نامعادله ماتریسی (4-19) تبدیل نماییم. برای این منظور ما ماتریس را بصورت زیر در نظر میگیریم:
(4-29)
سپس ترم های مختلف موجود در ماتریس را در آن جای گذاری مینماییم. حاصل بصورت ماتریس زیر خواهد بود:
(4-30)
اکنون با استفاده از نتایج فصل 3 یعنی جایگذاری با و با در ماتریس فوق و ساده سازی ، نامعادله ماتریسی(4-19) حاصل خواهد شد.
با روندی مشابه میتوان نامعادلات ماتریسی (4-26) و (4-27) را به ترتیب به نامعادلات (4-20) و (4-21) تبدیل نمود.
از آنجاییکه روابط (4-19) تا (4-23) بصورت نامعادلات و معادلات ماتریسی خطی به ازای یک مقدار معین از میباشند، بنابراین مسئله وجود یک قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی برای سیستم فازی T-S به فرم (4-2) به امکان پذیر بودن روابط (4-19) تا (4-23) کاهش می یابد. پاسخ مسئله امکان پذیری LMI ها و LME نیز به سادگی توسط نرم افزار های نظیر MATLAB بدست می آید. از آنجاییکه هدف یافتن حداقل میباشد به این صورت عمل میکنیم که یک مقدار اولیه برای تعیین مینماییم، اگر به ازای آن مقدار روابط مورد نظر امکان پذیر بودند اقدام به کاهش مقدار مینماییم، به عنوان مثال مقدار آن را به نصف کاهش میدهیم و این کار را تا جایی انجام میدهیم که روابط پس از آن امکان پذیر نباشند، و به این ترتیب مقدار کمینه را خواهیم یافت. علاوه بر آن مزیت روش ارائه شده تک مرحله ای بودن آن میباشد.
اکنون با پرداختن به یک سیستم مثالی کارآمدی روش ارائه شده را به نمایش میگذاریم:
مثال 4-1
سیستم غیرخطی زیر را در نظر بگیرید:

فرض بر اینست که . سیستم غیرخطی فوق را میتوان توسط مدل فازی T-S زیر به نمایش در آورد:
قانون شماره 1: اگر در حدود باشد، آنگاه:

که در آن:

قانون شماره 2: اگر در حدود یا باشد، آنگاه:

که در آن:

باید به این مورد توجه شود که در دو مدل بالا، هر دو ماتریس ناپایدار میباشند. اکنون برای مقادیر مدل مرجع (4-3)، ما مقادیر و را انتخاب مینماییم. برای ورودی مرجع کران دار یعنی فرض میکنیم . برای ماتریس وزن دهی در (4-4) فرض میکنیم . با فرض شرایط اولیه صفر برای سیستم غیرخطی فوق نتایج زیر حاصل میگردد:

با توجه به مقادیر فوق بهره های کنترل کننده استاتیکی بصورت زیر خواهند بود:

همچنین مقدار بهینه برای برابر است با:

به منظور مشاهده عملکرد سیستم حلقه بسته، شبیه سازی در محیط Simulink صورت پذیرفت. در این شبیه سازی سیگنال های سیگنالی سینوسی برابر ، سیگنالی سینوسی برابر و سیگنالی سینوسی برابر در نظر گرفته شده اند.

شکل(4-1): دنبال نمودن خروجی مرجع توسط کنترل کننده طراحی شده برای مثال 4-1

شکل (4-2): تغییرات سیگنال کنترلی ورودی مثال 4-1 در گذر زمان

شکل(4-3): تغییرات ضریب تضعیف تعیین شده برای مثال 4-1 در گذر زمان
5- طراحی کنترل کننده فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی H∞ برای سیستم های غیرخطی دارای تأخیر زمانی توصیف شده با مدل تاکاگی- سوگنو T-S
مقدمه
تأخیر زمانی در بسیاری از سیستم های کنترلی به دلیل تأخیر انتقال اطلاعات بین اجزا مختلف سیستم اجتناب ناپذیر است. از جمله آن سیستم ها میتوان به فرآیند های شیمیایی، شبکه های ارتباطی و سیستم های مکانیکی اشاره کرد. وجود تأخیر زمانی موجب کند شدن پاسخ سیستم، محدود شدن عملکرد کنترل کننده و یا حتی ناپایداری سیستم حلقه بسته میشود. علاوه بر آن طراحی کنترل کننده برای این سیستم ها دشوار و پیچیده میباشد. در طی دهه های گذشته روش های مختلفی برای غلبه بر دشواری های طراحی کنترل کننده برای چنین سیستم هایی ارائه شده است که کنترل کننده های فازی یکی از آنها میباشد. کنترل فازی میتوانند یک راهکار موثر برای سیستم های پیچیده، دارای نامعینی و بد تعریف شده ارائه دهد، چراکه در روش کنترل فازی یک سیستم پیچیده به چندین زیر مجموعه (قوانین فازی) تجزیه میشود و سپس یک قانون کنترلی ساده برای هر زیر سیستم جهت شبیه سازی استراتژی کنترلی انسان بکار گرفته میشود.
اگر چه روش کنترل فازی مفید میباشد ولی ایراد اصلی آن نبود روش تحلیل و طراحی سیستماتیک برای کنترل کننده های فازی است. اخیرا" بر اساس مدل فازی تاکاگی- سوگنو (T-S) روش های مختلفی برای طراحی کنترل کننده برای سیستم های غیرخطی با تأخیر زمانی ارائه شده است. در مورد ویژگی ها و توانایی های مدل فازی T-S در فصول گذشته به تفصیل توضیحاتی ارائه گردیده است.
طراحی کنترل کننده
در این قسمت تلاش خواهیم کرد تا نتایج فصل4 را به زیر کلاسی از سیستم های غیرخطی دارای تأخیر زمانی متغیر با زمان نامعلوم تعمیم دهیم. مشابه فصل4 معادله سیستم غیرخطی تأخیر دار توسط درون یابی تکه ای چندین مدل خطی محلی از طریق توابع عضویت به نمایش در می آید. در حقیقت هر مدل خطی توسط یک قانون اگر- آنگاه بیان میشود. اکنون ما یک سیستم غیرخطی تأخیر دار را که میتوان توسط مدل فازی T-S زیر توصیف نمود در نظر میگیریم:
قانون شماره i سیستم:
اگر و ... باشند. آنگاه:
(5-1)
که در رابطه فوق مجموعه فازی بوده و تعداد قوانین مدل میباشد. همچنین بردار حالت، ورودی کنترلی، خروجی اندازه گیری شده، ، ، و ماتریس های حقیق با ابعاد مناسب بوده و و... متغیر های مفروض شناخته شده میباشند. همچنین اغتشاش خارجی کران دار بوده و نویز اندازه گیری کران دار است. همچنین یک تأخیر زمانی متغیر با زمان نامشخص در سیستم میباشد که شروط و را برآورده میکند. نیز برداری است که شرایط اولیه را مشخص میکند.
با استفاده از فرآیند غیرفازی سازی سیستم فازی کلی را میتوان به فرم زیر نوشت:
(5-2)
که در آن داریم:

همچنین مدل مرجع را مشابه (4-3) بصورت زیر در نظر میگیریم:
(5-3)
و عملکرد تعقیب مربوط به خطای تعقیب بصورت زیر خواهد بود:
(5-4)
به منظور حصول چنین عملکردی دوباره اقدام به تعریف کنترل کننده استاتیکی خروجی زیر می نماییم:
قانون کنترل شماره j:
اگر و ... ، آنگاه:
(5-5)
اکنون چنانچه ما قانون کنترلی (5-5) را به سیستم (5-2) اعمال کنیم، سیستم حلقه بسته زیر بدست می آید. برای سادگی از به جای استفاده میکنیم.
(5-6)
که در آن:

تعریف 5-1
سیستم فازی T-S (5-2) ، مدل مرجع (5-3) و عملکرد تعقیب (5-4) را در نظر بگیرید. قانون کنترلی (5-5) یک قانون کنترلی فیدبک استاتیک خروجی برای نیل به تعقیب فازی میباشد چنانچه (5-2) را پایدار سازد و (5-4) را برآورده نماید.
اصل 5-1
قانون کنترلی (5-5) یک قانون کنترلی استاتیکی خروجی برای نیل به تعقیب فازی میباشد، چنانچه ماتریس های معین مثبت مشترک و وجود داشته باشد بطوریکه نامعادلات زیر برقرار باشند:
(5-7)
اثبات
تابع لیاپانوف را بصورت زیر در نظر میگیریم:
(5-8)
مشتق تابع فوق بصورت زیر خواهد بود:
(5-9)
فرض میکنیم که کمتر از مقدار زیر باشد:
(5-10)
بنابراین خواهیم داشت:

اکنون را تعریف میکنیم. خواهیم داشت:
(5-11)
از رابطه فوق خواهیم داشت:
(5-12)
توجه نمایید که:
(5-13)
و همچنین داریم . بنابراین رابطه زیر حاصل خواهد شد:
(5-14)
علاوه بر آن امکان پذیر بودن نامعادلات ماتریسی (5-7) دلالت بر امکان پذیری نامعادلات ماتریسی زیر دارد.
(5-15)
که پایداری سیستم حلقه بسته (5-2) را تضمین میکند.
به این ترتیب اثبات تکمیل میگردد.
اکنون تئوری زیر را به منظور ارائه یک روش مبتنی بر LMI-LME جهت طراحی کنترل کننده استاتیکی خروجی برای نیل به تعقیب فازی برای سیستم فازی T-S (5-2) که دارای تأخیر زمانی متغیر با زمان میباشد بیان می نماییم.
تئوری 5-1
سیستم فازی T-S دارای تأخیر زمانی (5-2)، مدل مرجع (5-3) و عملکرد تعقیب (5-4) را در نظر بگیرید. فرض کنید ماتریس های معین مثبت مشترک ، و به همراه ماتریس های و ماتریس معکوس پذیر مشترک وجود دارند بطوریکه نامعادلات ماتریسی خطی (5-18) - (5-16) و معادله ماتریسی (5-19) برای مقدار تعیین شده خطای تعقیب یعنی در (5-4) برقرار باشند. آنگاه قانون کنترلی (5-5) که از (5-20) حاصل میشود یک قانون کنترلی استاتیکی خروجی برای نیل به تعقیب فازی میباشد.
(5-16)

که در آن:

و در (4-19) تعریف شده اند.
(5-17)

که در آن:

که در (4-20) تعریف شده اند.
و
(5-18)

که در آن:

و در (4-21) تعریف شده اند.
و
(5-19)
بهره کنترل کننده استاتیکی از رابطه زیر بدست می آید:
(5-20)
اثبات
اثبات این بخش دقیقا" مشابه اثبات تئوری 4-1 در فصل4 میباشد.
مشابه مورد بدون تأخیر زمانی، یافتن قانون کنترلی استاتیکی خروجی بهینه برای نیل به تعقیب فازی بسیار مورد علاقه میباشد. کنترل کننده بهینه، کنترل کننده ای است که حداقل مقدار برای کران بالای در (5-4) را موجب میشود. خوشبختانه این مسأله حداقل سازی را میتوان بصورت یک فرآیند حداقل سازی محدب بیان نمود. در این مورد کنترل کننده بهینه را میتوان بوسیله پیاده سازی مسأله مقدار ویژه LMI یافت. بنابراین اقدام به حل مسأله کمینه سازی زیر می نماییم:
(5-21)
با توجه به و (5-12)- (5-9).
مسأله کمینه سازی فوق یک مسأله بهینه سازی محدب است. پاسخ این مسأله قانون کنترلی استاتیکی خروجی بهینه برای نیل به تعقیب فازی برای سیستم فازی تأخیر زمانی T-S (5-2)، مدل مرجع (5-3) و عملکرد تعقیبی (5-4) میباشد.
اکنون به یک مثال جهت نشان دادن کارآمدی نتایج بدست آمده میپردازیم:
مثال 5-1
سیستم غیرخطی دارای تأخیر زمانی زیر را در نظر بگیرید:

دوباره فرض بر آنست که . سیستم غیرخطی فوق را میتوان توسط مدل فازی T-S زیر نشان داد:
قانون شماره 1: اگر در حدود باشد، آنگاه:

که در آن:

قانون شماره 2: اگر در حدود یا باشد، آنگاه:

که در آن:

تأخیر زمانی متغیر با زمان در سیستم غیرخطی فوق برابر است با:

دلالت بر این دارد که: و . همچنین برای مدل مرجع (5-3) مقادیر زیر را در نظر میگیریم:

برای ماتریس وزن دهی در (5-4) داریم: . با در نظر گرفتن شرایط اولیه صفر برای سیستم غیرخطی فوق، چنانچه کنترل کننده بهینه را بوسیله اعمال مسأله مقدار ویژه LMI-LME (5-14) محاسبه کنیم، نتایج زیر حاصل خواهند شد:

user8299

یک- مدول راست اول نامیده می شود هرگاه ، و برای هر زیرمدول غیر صفر از.
منظور از زیرمدول اول از- مدول راست، زیرمدولی مانند است به طوری که اول باشد.
مدول‌های اول و زیرمدول‌های اول مدول‌ها در سی سال اخیر به طور فراوان مورد مطالعه قرار گرفته‌اند. مطالعه مدول‌های دوم و زیرمدول‌های دوم مدول‌ها موضوع جدیدتری است. حال به مفهوم دوگان مدول اول، یعنی مدول‌ دوم می‌پردازیم.
یک - مدول راست، دوم نامیده می شود هرگاه و برای هر زیرمدول محض از. توجه شود که در بعضی موارد، مدول دوم را هم‌اول نیز می‌نامند.
همچنین دوگان زیرمدول اول، یعنی زیرمدول دوم را تعریف می‌کنیم.
منظور از زیرمدول دوم یک مدول، زیرمدولی است که خود، مدول دوم باشد.
مدول‌های دوم و زیرمدول‌های دوم، اولین بار توسط دکتر یاسمی روی حلقه‌های جابجایی در منبع در سال 2001 معرفی شده است.
فرض کنیدیک حلقه جابجایی و یک مدول غیر صفر باشد. برای هر عنصر از حلقه فرض کنیم یک درون‌ریختی مدول باشد که به صورت تعریف می‌شود.
به سادگی می‌توان دید که اول است اگر و تنها اگر به ازای هر داشته باشیم یا اینکه یک تکریختی باشد. به عبارت دیگر، اول است اگر و تنها اگر برای هر در حلقه و به ازای هر عضو، اگر داشته باشیم آنگاه یا .
همچنین به سادگی می‌توان مشاهده کرد- مدول دوم است اگر و تنها اگر برای هر داشته باشیم یا یک بروریختی باشد.
به بیان دیگر، دوم است اگر و تنها اگر برای هر عضو، یا.
هدف از این پایان‌نامه، مطالعه مدول‌های دوم در سایه مدول‌های اول است.
توجه داشته باشید اگریک حلقه و یک- مدول راست دوم باشد، آنگاه یک ایده‌آل اولاست. در این حالت برای راحتی کار را یک مدول- دوم می خوانیم.
توجه داشته باشید که مدول‌های ساده، اول و دوم هستند. در حالت کلی تر، ما مدول را نیم ساده همگن می نامیم، در صورتی کهبرابر حاصل‌جمع مستقیم زیرمدول‌های ساده یکریخت باشد. به سادگی می‌توان دید که مدول‌های نیم ساده همگن، اول و دوم هستند.
علاوه بر آن، اگریک حلقه ساده باشد آنگاه هر مدول غیر صفر روی اول و دوم است. بالعکس، هر حلقهکه خودش- مدول راست دوم باشد، ساده است. به وضوح، هر زیرمدول غیر صفر از یک مدول اول، اول است.
همچنین هر تصویر همریخت غیر صفر از یک مدول دوم، دوم است.
در این پایان‌نامه مثال های بیشتری آورده شده است.
فصل دوم
186880526225500
تعاریف و قضایای پیش‌نیاز
یادآوری2-1: فرض کنید- مدول راست داده شده است. پوچ‌ساز در را با نشان می‌دهیم، به عبارت دیگر مجموعه تمام عنصرهای در است به طوری که . توجه کنید که یک ایده‌آل از حلقه است.
یادآوری2-2: اگر یک حلقه جابجایی و یکدار باشد ویک ایده‌آل ماکسیمال آن باشد، آنگاه میدان است.
یادآوری2-3: اگر یک میدان ویک- مدول باشد، را یک فضای برداری روی می‌نامند، در این حالت برای یک مجموعه اندیس‌گذار.
یادآوری2-4: هر میدان، یک مدول ساده روی خودش است.
قضیه2-5: اگر یک- مدول نیم‌ساده باشد به طوری که ، که ها ساده هستند، آنگاه اگر یک دنباله دقیق - مدولی باشد. آنگاه وجود دارد به طوری که و .
اثبات: برای اثبات به ]4، قضیه 9.4[ مراجعه شود.
بنابر قضیه فوق اگر یک مدول نیم‌ساده و زیر مدولی از باشد، آنگاه و .
قضیه2-6: فرض کنیدیک حلقه جابجایی و یک- مدول غیر صفر باشد. برای هر عنصر از حلقه فرض کنیم یک درون‌ریختی مدول باشد که به صورت تعریف می‌شود. در این صورت اول است اگر و تنها اگر به ازای هر داشته باشیم یا اینکه یک تکریختی باشد.
اثبات: فرض کنید اول باشد و تکریختی نباشد یعنی فرض کنیم آنگاه داریم درنتیجه زیرا مدول اول است. در نتیجه داریم و لذا .
بالعکس، فرض کنید به سادگی دیده می‌شود که همواره . حال فرض کنید. آنگاه داریم در نتیجه از آنجایی که ، پس تکریختی نیست و در نتیجه بنابر فرض . بنابراین . درنتیجه داریم ، و این به معنی اول بودنمی‌باشد.
به عبارت دیگر مدول غیر صفر، روی حلقه جابجایی، اول است اگر و تنها اگر برای هر عضو حلقه و به ازای هر عضو، اگر داشته باشیم آنگاه یا .
قضیه2-7: فرض کنید یک حلقه جابجایی و یک- مدول غیر صفر باشد. برای هر عنصر از حلقه فرض کنیم یک درون‌ریختی مدول باشد که به صورت تعریف می‌شود. در این صورت،مدول دوم است اگر و تنها اگر برای هر داشته باشیم یا یک بروریختی باشد.
اثبات: فرض کنید دوم باشد و بروریختی نباشد، بنابراین که زیرمدولی محض از مدول می‌باشد. لذا، بنابراین . در نتیجه .
بالعکس، فرض کنید زیرمدولی محض از باشد، اگر آنگاه و در نتیجه بروریختی نیست. لذا بنا به فرض در نتیجه . لذا داریم
بنابراین .
و در نتیجه دوم است.
به عبارت دیگر، مدول غیر صفر روی حلقه جابجاییدوم است اگر و تنها اگر برای هر عضو، یا.
قضیه2-8: اگریک حلقه و یک- مدول اول باشد، آنگاه یک ایده‌آل اول است.
اثبات: اگر برای بعضی ایده‌آل‌های واز حلقهداشته باشیم، آنگاه . اگر ، آنگاه از اول بودن مدول نتیجه می‌شود. بنابراین از نتیجه می‌شود
.
لذا داریم و در نتیجه . اگر ، آنگاه. بنابراین قضیه اثبات می‌شود.
قضیه2-9: اگریک حلقه و یک - مدول دوم باشد، آنگاه یک ایده‌آل اولاست.
اثبات: اگر برای بعضی ایده‌آل‌های و از حلقه داشته باشیم، آنگاه . اگر ، آنگاه از دوم بودن مدول نتیجه می‌شود .
بنابراین از، نتیجه می‌شود. در نتیجه. حال اگر، آنگاه . در نتیجه .
فرض کنید یک مدول دوم و . در این صورت را یک مدول- دوم گویند.
قضیه2-10: هر مدول ساده، اول و دوم است.
اثبات: فرض کنید یک- مدول ساده باشد. بنابراین تنها زیرمدول غیر صفر آن می‌باشد. بنابراین اول است. از طرفی تنها زیرمدول محض زیرمدول صفر می‌باشد، بنابراین به‌وضوح داریم . در نتیجه دوم است.
تعریف2-11: مدول را نیم‌ساده گویند هرگاه برابر حاصل‌جمع زیرمدول‌های ساده خود باشد. در این صورت خانواده از زیرمدول‌های ساده موجود است. به قسمی که .
تعریف2-12: فرض کنید یک حلقه باشد. در این صورت را یک حلقه نیم‌ساده گویند اگربه عنوان- مدول راست (به طور معادل چپ)، یک مدول نیم‌ساده باشد.
یادآوری می‌کنیم مدول را نیم ساده همگن می نامیم، در صورتی کهبرابر حاصل‌جمع مستقیم زیرمدول‌های ساده یکریخت باشد.
قضیه2-13: هر مدول نیم ساده همگن، اول و دوم است.
اثبات: فرض کنید یک- مدول نیم‌ساده همگن باشد. بنابراین می‌توان فرض کرد، برای یک مجموعه اندیس‌گذار و زیرمدول‌های ساده یکریخت از. حال اگر، زیرمدول غیر صفری از باشد بنابر قضیه 2-5 داریم، برای یک مجموعه اندیس‌گذار . حال اگر و، از آنجایی که تمامی ها یکریخت هستند داریم
،
بنابراین اول است.
حال اگر، زیرمدولی محض از باشد. داریم، برای یک مجموعه اندیس گذار . با تکرار روند فوق می‌توانیم نتیجه بگیریم لذا دوم است.
حلقه را یک حلقه ساده گویند، هرگاه ایده‌آل دوطرفه غیر بدیهی نداشته باشد.
قضیه2-14: اگریک حلقه ساده باشد، آنگاه هر مدول غیر صفر روی، اول و دوم است.
اثبات: فرض کنید یک- مدول راست و زیرمدول غیر صفر از باشد. از آنجایی که یکدار است داریم، و همچنین. از طرفی ساده است و پوچ‌سازها ایده‌آل هستند، بنابراین. در نتیجه اول است.
حال اگر زیرمدول محض باشد، یک مدول غیر صفر می‌باشد. حال مشابه روند اثبات فوق می‌توان نتیجه گرفت . بنابراین دوم است.
قضیه2-15: فرض کنیدیک حلقه باشد. اگر به عنوان- مدول راست، مدولی دوم باشد آنگاه یک حلقه ساده است.
اثبات: فرض کنید، ایده‌آل محض باشد. به‌وضوح، از طرفی از آنجایی که حلقه یکدار است می‌توان نتیجه گرفت . حال از دوم بودن- مدولداریم ، بنابراین . در نتیجه. پس به عنوان- مدول، ساده است.
قضیه2-16: هر زیرمدول غیر صفر از یک مدول اول، اول است.
اثبات: فرض کنیدیک- مدول اول و زیرمدول غیر صفر ازباشد. حال اگر زیرمدول غیر صفر باشد، زیرمدول نیز است. بنابر اول بودن داریم . لذا اول است.
قضیه2-17: هر تصویر همریخت غیر صفر از یک مدول دوم، دوم است.
اثبات: فرض کنید، یک- مدول دوم باشد. آنگاه هر تصویر همریخت غیر صفر به ازای یک زیرمدول محض از، با یکریخت است. حال اگر، زیرمدولی از شامل باشد، بنابر دوم بودن مدول داریم
.
بنابراین . در نتیجه مدول ، دوم است.
یادآوری2-18: هر زیرمدول انژکتیو از یک مدول، جمعوند مستقیم مدول اصلی می‌شود.
یادآوری2-19: اگر یک- مدول ساده باشد، آنگاه برای بعضی ایده‌آل‌های ماکسیمال راست از، .
یادآوری2-20: فرض کنید، یک- مدول و، و زیرمدول‌های باشند، در این صورت داریم
،
علاوه بر آن اگر، آنگاه تساوی برقرار است و رابطه فوق به صورت زیر خواهد شد.

این گزاره به قانون مدولار معروف است.
تعریف2-21: حلقه، یک حلقه منظم وان‌نیومن است هرگاه برای هر، وجود داشته باشد به طوری‌که .
قضیه2-22: در حلقه منظم وان‌نیومن جابجایی هر ایده‌آل اول، ماکسیمال است.
اثبات: فرض کنیدیک حلقه منظم وان‌نیومن جابجایی و ایده‌آل اول حلقه باشد، آنگاه حلقه یک دامنه صحیح و همچنین منظم وان‌نیومن جابجایی است. حال اگر ، آنگاه وجود دارد ، به طوری که . در نتیجه. از آنجایی که یک دامنه صحیح و است، داریم ، در نتیجه . بنابراین هر عضو غیر صفر، وارون پذیر است. لذا میدان است و بنابراین ایده‌آل ماکسیمال حلقهاست.
تعریف2-23: ایده‌آل از حلقه را اولیه راست گویند هرگاه یک- مدول راست ساده موجود باشد به طوری‌که.
اگر در حلقه، ایده‌آل اولیه باشد، آنگاه حلقه را حلقه اولیه گویند.
تعریف2-24: زیرمدول از- مدول غیر صفر را اساسی گویند، و آن را با نماد نشان می‌دهیم، هرگاه برای هر زیر مدول از از، نتیجه شود.
تعریف2-25: زیرمدول از- مدول غیر صفر را در کوچک یا زائد گویند، و آن را با نماد نشان می‌دهیم، هرگاه به ازای هر زیرمدول محض از داشته باشیم.
تعریف2-26: اگر و دو- مدول باشند ویک همریختی- مدولی باشد، دوتایی را یک پوشش پروژکتیو برای می‌نامند هرگاه مدولی پروژکتیو و یک بروریختی باشد به طوری که باشد.
تعریف2-27: حلقه را کامل راست گویند اگر هر- مدول راست، یک پوشش پروژکتیو داشته باشد.
تعریف2-28 : فرض کنید یک حلقه باشد. رادیکال جیکوبسن را که با نشان داده می‌شود برابر است با اشتراک تمام ایده‌آل‌های راست ماکسیمال.
یادآوری2-29: فرض کنید یک حلقه باشد، آنگاه برابر با اشتراک تمام ایده‌آل‌های اولیه راست است.
قضیه 2-30 (قضیه باس): فرض کنید یک حلقه و، رادیکال جیکوبسن باشد، آنگاه گزاره‌های زیر معادلند:
یک حلقه کامل راست است،
، نیم‌ساده است و هر- مدول راست غیر صفر، شامل یک زیرمدول ماکسیمال است.
برای مشاهده صورت کامل این قضیه و اثبات آن می‌توانید به ]4، قضیه 28.4[ مراجعه کنید.
تعریف2-31: زیرمدول از یک- مدول راست را زیرمدول خالص گویند هرگاه برای هر ایده‌آل چپ از، داشته باشیم .
تعریف2-32: فرض کنیدیک حلقه باشد. را منظم راست گویند هرگاه برای هر عضو غیر صفر از حلقه مانند، .
به طور مشابه عضو منظم چپ نیز تعریف می‌شود. را منظم گویند هرگاه منظم چپ و منظم راست باشد.
تعریف2-33:- مدول راست را بخش‌پذیر گویند هرگاه به ازای هر عضو منظم از حلقه. در[23] تعریف‌های دیگری از بخش‌پذیری آمده است.
تعریف2-34: مدول غیر صفر را یکنواخت گویند هرگاه هر زیر مدول غیر صفر، زیر مدولی اساسی باشد.
تعریف2-35: گوییم مدول دارای بعد یکنواخت یا بعد گولدی می‌باشد، اگر زیرمدول اساسی از وجود داشته باشد که، و در آنها زیرمدول یکنواخت از هستند. اگر چنین عدد صحیحی موجود نباشد گوییم دارای بعد یکنواخت نامتناهی است.
تعریف2-36: حلقهرا گولدی راست گویند اگر دارای بعد یکنواخت متناهی باشد و در شرط زنجیر افزایشی روی ایده‌آل‌های پوچ‌ساز راست صدق کند. (به طور مشابه گولدی چپ تعریف می شود).
تعریف2-37: حلقه را یک حلقه اول گویند، هرگاه ایده‌آل یک ایده‌آل اول در حلقه باشد.
تعریف2-38: یک حلقه اول را کراندار راست گویند اگر هر ایده‌آل راست اساسی شامل یک ایده‌آل دو طرفه غیر صفر باشد. به طور مشابه، حلقه کراندار چپ نیز تعریف می‌شود.
تعریف2-39: حلقه را نیم اول گویند، هرگاه برای هر ایده‌آل از، نتیجه دهد.
تعریف2-40: - مدول راست را بی‌تاب گویند هرگاه برای هر عضو غیر صفر از مدول و عنصر منظم .
قضیه2-41(قضیه گولدی): برای هر حلقه، گزاره‌های زیر معادلند:
، نیم‌اول و گولدی راست است،
یک ایده‌آل راست، یک زیرمدول اساسی ازاست اگر و تنها اگر شامل یک عنصر منظم باشد.
برای مشاهده صورت کامل قضیه و اثبات آن به ]13، قضیه 11.13[ مراجعه کنید.
لم2-42: هر مدول انژکتیو، بخش‌پذیر است.
برای اثبات به ]13، بخش سوم[ مراجعه شود.
تعریف2-43: یک- مدول راست را یکدست گویند اگر به ازای هر دنباله دقیق از - مدول‌های چپ، دنباله دقیق باشد.
قضیه2-44: اگر یک- مدول راست یکدست و زیر مدول باشد، آنگاه یکدست است اگر و تنها اگر زیرمدول خالص از باشد.
اثبات: به ]4، صفحه 232[ مراجعه شود.
قضیه2-45: یک حلقه، وان نیومن منظم است اگر و تنها اگر هر مدول راست روی آن، یکدست باشد.
اثبات: به ]4، صفحه 233[ مراجعه شود.
تعریف2-46: فرض کنید یک- مدول باشد. ایده‌آل اول از را ایده‌آل چسبیده گویند هرگاه زیرمدول محض از موجود باشد به طوری که یک مدول- دوم باشد.
تعریف2-47: مدول غیر صفر را مدول باس گویند هرگاه هر زیرمدول محض آن مشمول در یک زیرمدول ماکسیمال باشد.
بنابر قضیه باس می‌توان گفت روی یک حلقه کامل راست هر مدول غیر صفر، مدول باس است.


لم2-48: هر ایده‌آل چسبیده یک مدول باس، اولیه است.
اثبات: اگر یک ایده‌آل چسبیده مدول باس باشد، آنگاه زیرمدول محض از وجود دارد به طوری که، - دوم است. حال از آنجایی که، مدول باس است، زیرمدول ماکسیمال از مانند وجود دارد به طوری که . از آنجایی که ، - دوم است داریم

از ماکسیمال بودن می‌توان نتیجه گرفت ساده است و بنابراین ایده‌آل اولیه راست است.
تعریف2-49: حلقهرا نیم‌موضعی گویند هرگاه نیم ساده باشد.
قضیه2-50: ایده‌آل‌های چسبیده- مدول راست، دقیقاً برابر ایده‌آل‌های اولیه راست می‌باشند.
اثبات: داشتیم هر ایده‌آل چسبیده یک مدول باس، اولیه است. از آنجایی که- مدول راست، متناهیاً تولید شده است لذا هر ایده‌آل راست محض مشمول در یک ایده‌آل راست ماکسیمال می‌شود. در نتیجه به عنوان – مدول، یک مدول باس است. حال اگر یک ایده‌آل اولیه حلقه باشد، آنگاه یک- مدول ساده وجود دارد به طوری که. حال از ساده بودن می‌توان نتیجه گرفت که ایده‌آل راست ماکسیمال حلقه است. بنابراین. از طرفی ساده است و در نتیجه دوم است. بنابراین ایده‌ال چسبیده است.
قضیه 2-51(قضیه ودربرن-آرتین): حلقه، نیم‌ساده است اگر و تنها اگر یکریخت با حاصل‌جمع مستقیم تعداد متناهی حلقه آرتینی ساده باشد.
اثبات: برای مشاهده اثبات به]4، قضیه 13.6[ مراجعه شود.
قضیه2-52: اگر یک حلقه نیم‌موضعی باشد آنگاه فقط تعداد متناهی ایده آل اولیه راست دارد.
اثبات: ابتدا ثابت می کنیم که اگر و دو حلقه و . در این صورت ایده‌آلی از حلقه است اگروتنها اگر ایده‌آل‌های از حلقه و از حلقه موجود باشند به طوری که .
برای اثبات ابتدا فرض کنید ایده‌آلی از حلقه باشد. تعریف می‌کنیم:

ادعا می‌کنیم که ایده‌آلی از حلقه است. برای اثبات، فرض می‌کنیم و ، پس با توجه به تعریف داریم و. حال چون ایده‌آلی از حلقه‌ی است، بنابراین

و
که این نتیجه می‌دهد و.
به طریق مشابه اگر تعریف کنیم:

در این صورت نیز ایده‌آلی از حلقه می‌شود. حال ثابت می‌کنیم که.
واضح است که، زیرا اگر، آنگاه و. در نتیجه و، پس داریم. حال فرض می‌کنیم . پس و و با توجه به تعاریف و داریم که این هم نتیجه می‌دهد.
اثبات قسمت برگشت بدیهی است. حال فرض کنیدیک حلقه نیم‌موضعی باشد، بنابراین یک حلقه نیم ساده می‌باشد. حال بنابر قضیه ودربرن- آرتین یکریخت با حاصل‌جمع مستقیم تعداد متناهی حلقه آرتینی ساده است. لذا بنابر لم قبل تعداد متناهی ایده‌آل دارد. از طرفی رادیکال جیکوبسن برابر با اشتراک تمام ایده‌آل‌های اولیه راست است. بنابراین اگر ایده‌آل راست اولیه حلقه باشد، داریم.
بنابراین ایده‌آل حلقه است. از آنجایی که تعداد متناهی ایده‌آل دارد، بنابراین تعداد متناهی ایده‌آل اولیه راست دارد.
تعریف2-53: فرض کنید یک حلقه و زیرمجموعه باشد. آنگاه را- پوچ‌توان راست گویند هرگاه برای هر دنباله از عناصر، عدد صحیح مثبتی مانند وجود داشته باشد به طوری که.
بوضوح هر مجموعه پوچ توان،- پوچ‌توان است.
لم2-54: فرض کنید یک حلقه و ایده‌آل راست آن باشد، آنگاه گزاره‌های زیر معادلند:
ایده‌آل- پوچ‌توان راست است.
برای هر- مدول راست غیر صفر داریم.
اثبات: برای مشاهده اثبات به ]4، لم 28.3[ مراجعه کنید.
تعریف2-55: فرض کنید زیرمدولی از- مدول باشد. منظور از مکمل در، زیرمدولی از مانند است که در گردایه زیرمدول‌های از که در شرط صدق می‌کنند، مینیمال است.
تعریف2-56: زیرمدول از را مکمل در گویند هرگاه زیرمدولی مانند از وجود داشته باشد به طوری که مکمل در ‌باشد.
لم2-57: فرض کنید یک- مدول و و دو زیرمدول باشند، به طوری که مکمل در باشد. آنگاه و درنتیجه.
اثبات: فرض کنید زیرمدولی ازباشد به طوری که. آنگاه . حال از آنجایی که مکمل است، داریم . پس.
تعریف2-58: مدول مکمل شده، مدولی است که هر زیرمدول آن مکمل داشته باشد.
تعریف2-59: مدول را مکمل شده قوی می‌نامند هرگاه برای هر دو زیرمدول و از که، شامل یک مکمل برای در باشد.
مدول‌های آرتینی، مکمل شده قوی هستند. زیرا اگر یک مدول آرتینی و و زیرمدول‌های آن باشند، به طوری که آنگاه فرض کنید برابر گردایه تمام زیر مدول‌های از باشد به طوری که. از آنجایی که مدول، آرتینی است. بنابراین این گردایه عضو مینیمالی مانند دارد. به‌وضوح مکملی برای درمی‌باشد.
تعریف2-60: فرض کنید یک حلقه باشد، بنابر ]9، صفحه 8[، یک خانواده غیر تهی از زیرمدول‌های- مدول را هم- مستقل گویند هرگاه برای هر و زیر مجموعه متناهی از ، داشته باشیم

تعریف2-61: - مدول را پوک گویند هرگاه و برابر جمع هیچ دو زیرمدول محض از خود نباشد. به عبارت دیگر پوک است اگر و تنها اگر هر زیرمدول غیر صفر در کوچک باشد.
تعریف2-62: بنابر ]9، صفحه 47[ می‌توان گفت مدول غیر صفر دارای بُعد دوگان گولدی متناهی است اگر شامل خانواده نامتناهی از زیرمدول‌های هم‌‌- مستقل نباشد، و در این حالت عدد صحیح مثبت وجود دارد، که به آن بُعد پوک یا بعد دوگان گولدی گویند، به طوری که، برابر سوپریمم اعداد صحیح مثبتی مانند است که به تعداد زیرمدول هم- مستقل دارد.
در ]9، 5.2[ ثابت شده است که دارای بعد پوک است، برای یک عدد صحیح مثبت ، اگر و تنها اگر مدول‌های پوک و بروریختی وجود داشته باشد، به طوری که هسته در کوچک باشد. همچنین اگر، آنگاه بعد دوگان گولدی مدول با بعد دوگان گولدی مدول برابر است. همچنین اگر ، بعد دوگان گولدی برابر جمع بعد دوگان گولدی و بعد دوگان گولدی است.
قضیه2-63: فرض کنید یک حلقه و یک- مدول آرتینی باشد، آنگاه دارای بعد دوگان گولدی متناهی است.
اثبات: فرض کنید یک- مدول آرتینی باشد که دارای بعد دوگان گولدی متناهی نباشد. بنابراین می‌توان گردایه ای نامتناهی از زیرمدول‌های هم- مستقل را در نظر گرفت. فرض کنید یک زیرمجموعه نامتناهی از باشد. از آرتینی بودن می‌توان نتیجه گرفت زنجیر متوقف می‌شود. فرض کنید عدد صحیح مثبتی باشد که داشته باشیم . در نتیجه. بنابراین . که تناقض است.
تعریف2-64: یک خانواده از زیرمدول‌های را معکوس گویند هرگاه به ازای هر وجود داشته باشد به طوری که.
تعریف2-65: گوییم مدول، در شرط صدق میکند(مدول را - مدول گوییم) هرگاه برای هر زیرمدول از و خانواده معکوس از زیرمدول‌های، داشته باشیم
.
به عنوان مثال،- مدول در شرط صدق نمی‌کند. زیرا اگر خانواده از زیرمدول‌های را در نظر بگیریم، آنگاه این خانواده، معکوس است. داریم ، اما . ولی بنابر ]22، مثال 6.24[، هر مدول آرتینی در شرط صدق می‌کند. همچنین هر زیرمدول و هر تصویرهمریختی مدول، یک مدول است.
لم2-66: فرض کنید یک حلقه اول باشد. در این صورت هر ایده‌آل غیر صفر از یک زیرمدول اساسی است.
اثبات: فرض کنید یک ایده‌آل غیر صفر حلقه باشد. در این صورت برای هر ایده‌آل راست از، اگر، آنگاه. حال از آنجایی که حلقه اول است، ایده‌آل اول است و در نتیجه. بنابراین یک زیرمدول اساسی می‌باشد.
فصل سوم
202120526733500
مدول‌های نیم‌ساده و مدول‌های دوم
در فصل دوم دیدیم که مدول‌های نیم‌ساده همگن، دوم هستند. در این فصل به بررسی شرایطی می‌پردازیم که عکس این گزاره برقرار باشد. یعنی مدول‌های دوم، نیم‌ساده همگن باشند.
لم3-1: فرض کنید یک حلقه باشد به طوری که هر ایده‌آل اول آن ماکسیمال است. آنگاه یک- مدول راست اول است اگر و تنها اگر دوم باشد. علاوه بر آن، اگر یک حلقه جابجایی باشد آنگاه مدول دوم است اگر و تنها اگر یک مدول نیم ساده همگن باشد.
اثبات: ابتدا فرض کنید اول است. آنگاه و ایده‌آل اول حلقه می‌باشد، لذا بنابر فرض، ایده‌آل ماکسیمال است. فرض کنید یک زیرمدول محض دلخواه از باشد، آنگاه داریم و در نتیجه . اما ماکسیمال بودن ایده‌آل نتیجه می‌دهد که و در نتیجه یک مدول دوم است.
حال فرض کنید یک مدول دوم است. آنگاه یک ایده‌آل اول و در نتیجه یک ایده‌آل ماکسیمال در است. اگر زیرمدولی غیر صفر از باشد، داریم و درنتیجه . از آنجایی که ماکسیمال است، . بنابراین یک مدول اول است.
حال برای اثبات قسمت آخر فرض کنید یک حلقه جابجایی باشد و یک- مدول دوم باشد. آنگاه یک ایده‌آل اول حلقه و در نتیجه ماکسیمال است. داریم و لذا یک - مدول است. از آنجایی که میدان است، یک فضای برداری روی می‌باشد.
در نتیجه برای یک مجموعه اندیس گذار. در نتیجه نیم ساده همگن است. عکس این گزاره را در فصل دوم اثبات کرده ایم.
حال سوال این است که تحت چه شرایطی مدول دوم، نیم‌ساده همگن است.
نتیجه3-2: فرض کنید یک حلقه منظم وان‌نیومن جابجایی باشد. آنگاه یک- مدول راست غیر صفر یک مدول دوم است اگر و تنها اگر یک مدول نیم ساده همگن باشد.
اثبات: بنابر2-22 در حلقه منظم وان‌نیومن جابجایی هر ایده آل اول، ماکسیمال است. حال با توجه به لم قبلی، نتیجه برقرار است.
لم3-3: فرض کنید یک حلقه باشد به طوری که برای هر ایده‌آل اولیه راست، حلقه آرتینی راست باشد. آنگاه گزاره های زیر برای یک- مدول راست معادلند:
یک مدول اول است که شامل یک زیرمدول ساده است،
یک مدول دوم است که شامل یک زیرمدول ماکسیمال است،
یک مدول نیم ساده همگن است.
اثبات:: فرض کنید یک زیرمدول ساده از مدول اول باشد. اگر، آنگاه ایده‌آل اولیه راست از است، و بنابراین ،یک حلقه اولیه راست و آرتینی راست است. حال از آنجایی که اول است داریم و در نتیجه ، پس یک - مدول می‌باشد. از آنجایی که یک حلقه آرتینی راست و اولیه راست است، بنابر]14، قضیه 11.7[، هر حلقه اولیه آرتینی، نیم‌ساده است. بنابراین یک حلقه نیم‌ساده می‌باشد. بنابر ]4[ می‌دانیم هر مدول روی یک حلقه نیم‌ساده، نیم‌ساده است. بنابراین یک - مدول نیم‌ساده است. ضمناً حلقه‌ای ساده می‌باشد، و لذا دقیقاً یک - مدول ساده موجود است.
لذا یک - مدول نیم‌ساده همگن است، و در نتیجه نیم‌ساده همگن است.
: فرض کنید زیرمدول ماکسیمال از مدول دومباشد. اگر، آنگاه از آنجایی که ساده است، ایده‌آل اولیه از است. حال بنابر دوم بودن مدول و تکرار روند فوق، قضیه اثبات می‌شود.
و: قبلاً ثابت کردیم هر مدول نیم ساده همگن، اول و دوم است. بوضوح هر مدول نیم ساده همگن شامل زیرمدول ماکسیمال و زیرمدول ساده می‌باشد.
نتیجه3-4: فرض کنید یک حلقه کامل راست باشد. آنگاه یک- مدول راست یک مدول دوم است اگر و تنها اگر یک مدول نیم‌ساده همگن باشد.
اثبات: قسمت برگشت واضح است. برای اثبات قسمت رفت، فرض کنید یک مدول دوم باشد. آنگاه غیر صفر است و بنابر قضیه باس دارای زیرمدول ماکسیمال است. از طرفی دوباره بنابر قضیه باس در حلقه کامل راست، نیم‌ساده می‌شود. همچنین برابر اشتراک تمام ایده‌آل های اولیه است و بنابراین به ازای هر ایده‌آل اولیه داریم، و در نتیجه . حال از آنجایی که نیم‌ساده است و هر خارج قسمت یک مدول نیم ساده، نیم‌ساده است. بنابرایننیز نیم ‌ساده است. در نتیجه آرتینی راست است. حال بنابر لم قبل، نیم‌ساده همگن است.
فصل چهارم
17526004508500
مدول‌های دوم و حلقه‌ گولدی
در این فصل، ما به بررسی معادل‌هایی برای مدول‌های دوم می‌پردازیم. توجه کنید در این فصل، یک حلقه و یک- مدول راست است.
لم4-1 : فرض کنید یک حلقه دلخواه باشد. برای یک- مدول غیر صفر گزاره‌های زیر معادلند:
یک مدول دوم است،
برای هر ایده‌آل از داریم یا ،
برای هر ایده‌آل از که زیر مجموعه نباشد،،
برای هر ایده‌آل از که به طور محض شامل است، .
اثبات : فرض کنید ایده‌آلی از حلقه باشد، به طوری که. بنابراین زیرمدولی محض از است. همچنین و از آنجایی که دوم است لذا . در نتیجه .
اثبات‌های و واضح است.
: فرض کنید زیرمدولی محض از- مدول باشد، و. آنگاه به‌وضوح و از طرفی، بنابراین طبق داریم. بنابراین . لذا یک- مدول دوم است.
حال به این موضوع می‌پردازیم که اگر زیر مدول و مدول خارج قسمت یک مدول دوم باشد، تحت چه شرایطی مدول اصلی، دوم است.
نتیجه4-2: فرض کنید یک ایده‌آل اول از حلقه، و یک زیرمدول از- مدول باشد به طوری که مدول‌های و هر دو- دوم باشند. آنگاه یک مدول- دوم است اگر و تنها اگر .
اثبات: قسمت رفت واضح است. بالعکس، فرض کنید. حال فرض کنید ایده‌آلی دلخواه از حلقهباشد. اگر، آنگاه. فرض کنید. بنا بر لم 4-1، و.
بنابراین
.
حال بنابر لم4-1، دوم است.
در قضیه زیر مشاهده می‌کنیم که در شرایط خاص، زیرمدول یک مدول دوم، دوم است.
نتیجه4-3: فرض کنید یک حلقه و برای یک ایده‌آل اول از، یک- مدول- دوم باشد. آنگاه هر زیرمدول خالص غیر صفر از یک مدول- دوم است.
اثبات: فرض کنید یک زیرمدول خالص غیرصفر از باشد. از آنجایی که ، داریم. حال اگر ایده‌آل حلقه باشد که. آنگاه بنابراین . حال بنابر لم 4-1، مدول- دوم است.
نتیجه4-4: فرض کنید یک ایده‌آل از حلقه و یک- مدول باشد به طوری که . آنگاه- مدول یک مدول دوم است اگر و تنها اگر- مدول یک مدول دوم باشد.
اثبات: فرض کنید- مدول دوم است. آنگاه. از آنجایی که، میتوان را به عنوان یک - مدول در نظر گرفت. فرض کنید یک ایده‌آل از حلقه باشد به طوری که . آنگاه . بنابر دوم بودن- مدول و لم4-1، یا. در نتیجه یا. حال بنابر لم 4-1، یک - مدول دوم است.
بالعکس، فرض کنید یک- مدول دوم باشد. آنگاه ، و همچنین. فرض کنید یک ایده‌آل از حلقه باشد. آنگاه . از آنجایی که یک- مدول دوم است، بنابراین یا . درنتیجه یا. حال بنابر لم4-1، یک- مدول دوم است.
نتیجه بعدی برای حلقه‌های جابجایی در]26، قضیه 2.2[ ثابت شده است.
نتیجه4-5: فرض کنید یک ایده‌آل اول از حلقه باشد. آنگاه:
حاصل‌جمع مستقیم هر گردایه از- مدول‌های راست- دوم، یک مدول- دوم است،
جمع هر گردایه ناتهی از زیرمدول‌های- دوم از یک- مدول راست، یک زیرمدول- دوم از است.
اثبات: فرض کنید یک گردایه ناتهی از- مدول‌های راست- دوم باشد، و. آنگاه داریم. حال فرض کنید ایده‌آلی از حلقه باشد، به طوری که آنگاه بنا بر لم4-1، به ازای هر. بنابراین . در نتیجه یک مدول- دوم است.
اثبات: فرض کنید یک گردایه ناتهی از زیرمدول‌های- دوم از باشد. همریختی را با ضابطه تعریف می‌کنیم. به سادگی دیده می‌شود پوشاست پس نقش همریخت مدولاست. حال طبق قسمت و این موضوع که نقش همریخت هر مدول دوم، خود مدول دوم است این نتیجه به اثبات می‌رسد.
حال به بررسی مدول‌های دوم روی حلقه‌های کراندار و گولدی می‌پردازیم.
نتیجه4-6: فرض کنید یک حلقه اول گولدی راست (یا چپ) باشد. آنگاه هر- مدول راست بخش‌پذیر غیر صفر، یک مدول دوم است.
اثبات: فرض کنید یک- مدول راست بخش‌پذیر باشد و. اگر، چون حلقه اول است، بنابر لم 2-66 ایده‌آل زیرمدولی اساسی از است. حال بنابر قضیه 2-41 (قضیه گولدی)، شامل یک عنصر منظم از حلقه مانند می‌باشد. از بخش‌پذیر بودن می‌توان نتیجه گرفت ، که این یک تناقض است. بنابراین. حال فرض کنید ایده‌آلی غیر صفر از باشد، بنابراین. از طرفی مانند فوق می‌توان گفت که شامل عنصر منظمی از حلقه مانند می‌باشد. بنابراین . در نتیجه. حال بنابر لم4-1، یک مدول دوم است.

نتیجه4-7: فرض کنید یک حلقه اول گولدی راست یا چپ باشد. آنگاه هر- مدول راست انژکتیو غیر صفر، یک مدول دوم است.
اثبات: هر مدول انژکتیو، بخش‌پذیر است. حال بنابر نتیجه4-6، این نتیجه اثبات می‌شود.
نتیجه4-8: فرض کنید یک ایده‌آل اول از یک حلقه باشد به طوری که یک حلقه گولدی راست یا چپ باشد، و فرض کنید یک- مدول راست انژکتیو غیر صفر باشد. آنگاه شامل یک زیرمدول- دوم است اگر و تنها اگر برای بعضیهای غیر صفر در.
اثبات:قسمت رفت واضح است. بالعکس، فرض کنید برای بعضی های غیر صفر از مدول. فرض کنید. آنگاه به‌وضوح یک زیرمدول است و. آنگاه یک - مدول انژکتیو است. زیرا فرض کنید نمودار زیر از - مدول‌ها و همریختی‌های مدولی را داشته باشیم

از آنجایی که هر - مدول، یک- مدول نیز هست. بنابراین می‌توانیم نمودار زیر را تشکیل دهیم

حال از آنجایی که یک- مدول انژکتیو است، می‌توان همریختی یافت به طوری‌که نمودار فوق جابجایی شود. از طرفی یک - مدول است در نتیجه داریم
پس بنابراین در نتیجه .
بنابراین همریختی را می‌توان از به در نظر گرفت.
لذا یک - مدول انژکتیو است، حال بنابر نتیجه 4-7، یک - مدول دوم است، و بنابر نتیجه 4-4، یک- مدول دوم است.
حال نشان می دهیم یک مدول- دوم است. طبق تعریف داریم، بنابراین. از طرفی از آنجایی که به عنوان - مدول، انژکتیو است، لذا بخش‌پذیر است. حال از آنجایی که ایده‌آل اول است لذا حلقه اول است. همچنین بنابرفرض، گولدی راست یا چپ است. حال مشابه اثبات نتیجه4-6، می‌توان گفت. در نتیجه می‌توان گفت. در نتیجه یک مدول- دوم است.
قضیه4-9: فرض کنید یک حلقه باشد به طوری که به ازای هر ایده‌آل اول از، یک حلقه کراندار چپ و گولدی چپ باشد. آنگاه- مدول راست دوم است اگر و تنها اگر یک ایده‌آل اول از و یک- مدول راست بخش‌پذیر باشد.
اثبات: فرض کنید یک مدول دوم باشد. اگر ، آنگاه ایده‌آل اول از است. فرض کنید حلقه اول وگولدی چپ و کراندار چپ باشد. فرض کنید یک عنصر منظم از حلقه باشد.از آنجایی که یک حلقه اول و گولدی چپ است پس یک ایده‌آل اساسی است. حال از آنجایی که یک حلقه کراندار چپ است، ایده‌آل غیر صفر از وجود دارد به طوری که مشمول در ایده‌آل چپ اساسی از حلقهاست. حال برای بعضی ایده‌آل از که به طور محض شامل است. بنابراین
در نتیجه .
حال بنابر لم4-1، .بنابراین - مدول بخش‌پذیر است.
بالعکس، فرض کنید - مدول راست بخش‌پذیر باشد. از آنجایی که ایده‌آل اول حلقه است، یک حلقه اول می‌باشد. حال بنابر نتیجه4-6، - مدول، دوم است. بنابراین طبق نتیجه4-4، - مدول دوم است.
قضیه4-10: فرض کنید یک حلقه باشد به طوری که برای هر ایده‌آل اول از، یک حلقه کراندار راست و چپ و گولدی راست و چپ باشد. آنگاه یک- مدول راست یک مدول اول و دوم است اگر و تنها اگر یک ایده‌آل اول از باشد و یک- مدول راست بی‌تاب انژکتیو باشد.
اثبات: فرض کنیدیک مدول اول و دوم باشد. آنگاه یک - مدول راست بی تاب است، زیرا فرض کنید و به طوری که، آنگاه. بنابراین از آنجایی که یک ایده‌آل از شامل عنصر منظم می‌باشد، بنابر قضیه گولدی می‌توان نتیجه گرفت ایده‌آل اساسی است. حال از آنجایی که حلقه کراندار است، ایده‌آل دوطرفه غیرصفر وجود دارد. فرض کنید، برای یک ایده‌آل از حلقه.، نتیجه می‌دهد. بنابراین اگر، از اول بودن نتیجه می‌شود. بنابراین و لذا ، و این یک تناقض است. بنابراین، بی‌تاب است. همچنین بنابر قضیه4-9، یک مدول بخش‌پذیر است. لذا بنابر]16،قضیه 3.3[، انژکتیو است.
برای اثبات قسمت برگشت، فرض کنید یک- مدول راست بی‌تاب انژکتیو باشد.
بنابر نتیجه4-7، یک- مدول دوم است. حال بنابر نتیجه 4-4، یک- مدول دوم است.
حال نشان می دهیم یک مدول اول نیز می باشد. برای این منظور فرض می کنید ، نشان می دهیم برای هرعضو غیر صفر.
فرض کنید و . همچنین داریم. پس می توان فرض کرد.
ایده آلی اول است. بنابراین یک حلقه اول می باشد لذا بنا بر لم 2-66 می توان نتیجه گرفت ایده آل اساسی غیر صفر است. در نتیجه بنا بر قضیه گولدی، شامل عنصر منظمی مانند می باشد.
از آنجایی که و ، نتیجه می گیریم وبنابراین.
حال از بی تاب بودن - مدول و نیز از آنجایی که عنصر منظم حلقه است لذا .
بنابراین برای هر زیر مدول غیر صفر از- مدول داریم. لذا . نتیجه می دهد اول است.

نتیجه4-11: فرض کنید یک حلقه باشد به طوری که به ازای هر ایده‌آل اول از، یک حلقه کراندار راست و چپ و گولدی راست و چپ باشد . فرض کنید یک- مدول دوم باشد به طوری که هر تصویر همریخت از یک مدول یکدست باشد. آنگاه نیم ساده است.
اثبات: فرض کنید زیرمدول باشد. بنابراین نقش همریخت مدول تحت همریختی طبیعی است. لذا طبق فرض، یکدست است و بنابراین طبق2-44، زیرمدول خالص از است و بنابراین تمامی زیرمدول‌های خالص هستند. حال فرض کنید . بنابر نتیجه4-3 می‌توان نتیجه گرفت که هر زیرمدول ،- دوم است. بنابراین و تمام زیرمدول‌های اول هستند زیرا پوچ‌ساز تمام زیرمدول‌های غیر صفر برابر است. حال اگر یک زیرمدول غیر صفر از باشد، آنگاه اول و دوم است. حال بنابر قضیه4-10، یک - مدول انژکتیو است، و بنابراین به عنوان - مدول، جمعوند مستقیم است. در نتیجه به عنوان- مدول، جمعوند مستقیم است. در نتیجه نیم ساده است.

نتیجه4-12: فرض کنید یک حلقه منظم وان‌نیومن باشد به طوری که به ازای هر ایده‌آل اول از ، یک حلقه کراندار راست و چپ و گولدی راست و چپ باشد. آنگاه هر- مدول دوم، یک مدول نیم ساده است.
اثبات: بنابر2-45 داریم حلقه وان‌نیومن است اگر وتنها اگر هر- مدول راست، یکدست باشد. بنابراین هر- مدول، یکدست است. حال بنابر نتیجه4-11 اثبات کامل است.
نتیجه4-5 نشان می‌دهد که برای ایده‌آل اول از حلقه، هر حاصل‌جمع مستقیم از مدول‌های - دوم،- دوم است. اما نمی‌توان گفت حاصل‌جمع مستقیم مدول‌های دوم، دوم است. مثلاً اگر و دو عدد اول متمایز در باشند، آنگاه- مدول‌های و ساده هستند در نتیجه دوم هستند، ولی به‌وضوح مدول دوم نیست. ثابت نشده که آیا حاصل‌ضرب مستقیم مدول‌های- دوم ،- دوم است. ولی نتیجه زیر در ]26، قضیه 2.2[ برای حلقه‌های جابجایی ثابت شده است.
قضیه4-13: فرض کنید یک حلقه باشد به طوری که به ازای هر عضو حلقه، ایده‌آلبه عنوان یک ایده‌آل چپ، متناهیاً تولید شده باشد. فرض کنید یک ایده‌آل اول از باشد و فرض کنید یک گردایه از- مدول‌های راست- دوم باشد. آنگاه- مدول راست یک مدول- دوم است.
اثبات: فرض کنید، و توجه داشته باشید. حال فرض کنید یک ایده‌آل دلخواه از حلقه باشد به طوری که، و فرض کنید.
آنگاه از آنجایی کهبه عنوان یک ایده‌آل چپ، متناهیاً تولید شده است، عدد مثبت و عناصر وجود دارند به طوری که . از آنجایی که ها مدول دوم هستند ویک ایده‌آل حلقه است، بنابر لم4-1 داریم به ازای هر. حال فرض کنید ، به طوری که به ازای هر ، . آنگاه برای هر، و بنابراین عناصر در وجود دارند به طوری که . در نتیجه داریم
.
بنابراین برای هر ایده‌آل از که زیرمجموعه نباشد. حال بنابر لم 4-1، مدول دوم است و در این حالت به‌وضوح- دوم است.
فصل پنجم
120459520955000
تصویر همریختی‌ها
در این فصل ما به بررسی این امر می‌پردازیم که تحت کدام شرایط،- مدول غیر صفر دارای زیرمدول محض است که یک مدول دوم است یا به طور معادل، کدام مدول ایده‌آل چسبیده دارد.
قضیه5-1: فرض کنید یک حلقه نیم‌موضعی باشد. آنگاه هر- مدول باس، تعداد متناهی ایده‌آل‌ اول چسبیده دارد.
اثبات: فرض کنید، حلقه نیم موضعی است. در2-52 ثابت کردیم دارای تعداد متناهی ایده‌آل اولیه است. حال طبق 2-48 داریم هر ایده‌آل چسبیده یک مدول باس، اولیه است. بنابراین هر- مدول باس دارای تعداد متناهی ایده‌آل اول چسبیده است.
قضیه5-2: فرض کنید یک حلقه و یک- مدول غیر صفر باشد به طوری‌که ایده‌آلی مانند از موجود باشد که این ایده‌آل در گردایه ایده‌آل‌های از که ، ماکسیمال باشد. آنگاه یک ایده‌آل اول چسبیده از می باشد و یک مدول- دوم است. علاوه برآن، برابر اشتراک تمام زیرمدول‌های محض از است به طوری که یک مدول- دوم است.
اثبات: ابتدا نشان می‌دهیم ایده‌آل اول است. فرض کنید و دو ایده‌آل از باشند به طوری که زیر مجموعه نباشند. آنگاه اگر و را در نظر بگیریم، و به طور محض شامل می‌باشند. حال بنابر تعریف داریم و . در نتیجه ، و این به معنی این است که زیرمجموعه نیست، و در نتیجه زیر مجموعه نیست. لذا می‌توان گفت ایده‌آل اول حلقه است. برای اثبات دوم بودن مدول، فرض کنید ایده‌آلی از باشد به طوری که. بنابر ماکسیمال بودن در گردایه ایده‌آل‌های از به طوری که، داریم
.
به‌وضوح داریم و از طرفی بنابر تعریف، پوچ ساز نمی‌تواند به طور محض شامل باشد. لذا یک مدول- دوم است. برای اثبات قسمت آخر این قضیه فرض کنید زیرمدول باشد که یک مدول- دوم است. بنابراین داریم. بنابراین برابر اشتراک تمام زیرمدول‌هایی مانند است که ، - دوم است.
نتیجه5-3 : فرض کنید یک حلقه و یک- مدول غیر صفر باشد. آنگاه گزاره های زیر معادلند:
زیرمدول محض از وجود دارد به طوری که یک مدول دوم است،
زیرمدول محض از و ایده‌آل اول از وجود دارد به طوری که در گردایه ایده‌آل‌های از که ماکسیمال می باشد.
اثبات: فرض کنید زیر مدول محض از وجود دارد به طوری که یک مدول دوم است، قرار دهید . آنگاه یک ایده‌آل اول از است و بنابراین . حال فرض کنید ایده‌آلی از باشد که به طور محض شامل است.
از آنجایی که ، دوم است بنابر لم4-1 داریم. در نتیجه . بنابراین در گردایه ایده‌آل‌های از به طوری که ، ماکسیمال می باشد.
فرض کنید زیرمدول محض از و ایده‌آل اول از وجود دارد به طوری که در گردایه ایده‌آل‌های از که ماکسیمال می باشد، قرار دهید. آنگاه زیرمدول محض است و داریم

بنابراین. حال فرض کنید ایده‌آل دلخواه از باشد که به طور محض شامل است. آنگاه بنابر تعریف داریم بنابراین، و بنابراین . پس و بنابر لم4-1، یک مدول- دوم است.
می‌توان قضیه5-2 را برای مدول‌ها روی حلقه‌هایی که در شرط زنجیر افزایشی صدق می‌کنند بررسی کرد.
نتیجه5-4: فرض کنید یک حلقه باشد که در شرط زنجیر افزایشی روی ایده‌آل‌های دوطرفه صدق کند. آنگاه هر- مدول راست (یا چپ) غیر صفر یک ایده‌آل اول چسبیده دارد.
اثبات: با توجه به این که و حلقه در شرط زنجیر افزایشی روی ایده‌آل‌های دوطرفه صدق می‌کند، ایده‌آلی مانند از وجود دارد که در گردایه ایده‌آل‌های از که، ماکسیمال است. حال بنابر قضیه5-2، یک مدول- دوم است. بنابراین یک ایده‌آل چسبیده است.
قضیه5-5: فرض کنید یک حلقه باشد به طوری که دارای شرط زنجیر افزایشی روی ایده‌آل‌های اول باشد و برای هر ایده‌آل محض از یک عدد صحیح مثبت و ایده‌آل های اول وجود داشته باشد به طوری که . آنگاه :
یک مدول راست غیر صفر، یک مدول دوم است اگر و تنها اگر برای هر ایده‌آل اول از داشته باشیم یا ،
هر- مدول راست (یا چپ) غیر صفر یک ایده‌آل اول چسبیده دارد.
اثبات: قسمت رفت بنابر لم4-1برقرار است. بالعکس فرض کنید یا برای هر ایده‌آل اول از. حال فرض کنید ایده‌آل محض باشد. بنابر فرض، یک عدد صحیح مثبت و ایده‌آل‌های اول وجود دارد به طوری که . اگر برای بعضی . آنگاه ، بنابراین. در غیر این صورت، ، و بنابراین

بنابراین. لذا برای هر ایده‌آل از، داریم یا . حال بنابر لم4-1، مدول دوم است.
فرض کنید یک- مدول راست غیر صفر باشد. بنا به فرض عدد صحیح و ایده‌آل‌های اول وجود دارد به طوری که . اگر به ازای هر، ، آنگاه

که یک تناقض است. بنابراین برای بعضی. حال از آنجایی که حلقه در شرط زنجیر افزایشی برای ایده‌آل‌های اول صدق می‌کند، ایده‌آل اولی مانند وجود دارد که در گردایه‌ی ایده‌آل‌های‌ اول از که در شرط صدق می‌کنند ماکسیمال می‌باشد.
بنابراین. فرض کنید یک ایده‌آل اول از باشد که به طور محض شامل می‌باشد. بنا بر انتخاب داریم. بنابراین داریم . حال بنابر قسمت، - مدول دوم است. لذا بنابر نتیجه4-4 داریم- مدول دوم است. بنابراین ایده‌آل اول چسبیده است.
قضیه5-6: فرض کنید یک ایده‌آل راست- پوچ‌توان (محض) از یک حلقه (غیر صفر) باشد. آنگاه هر - مدول راست غیر صفر، یک ایده‌آل اول چسبیده دارد اگر و تنها اگر هر - مدول راست غیر صفر یک ایده‌آل اول چسبیده داشته باشد.
اثبات: ابتدا فرض کنید هر- مدول غیر صفر ایده‌آل چسبیده دارد. اگر یک - مدول راست غیر صفر باشد، آنگاه یک- مدول غیر صفر است. بنا به فرض، زیرمدول محض از وجود دارد به طوری که - مدول مدول دوم است. در نتیجه بنا بر نتیجه4-4، - مدول دوم است. پس به عنوان - مدول، یک ایده‌آل چسبیده دارد.
بالعکس: فرض کنید هر- مدول راست غیر صفر ایده‌آل چسبیده داشته باشد. اگر یک مدول راست غیر صفر باشد، بنابر لم 2-52، و بنابراین یک - مدول راست غیر صفر است. حال بنابر فرض، زیرمدول محض از شامل وجود دارد به طوری که یک- مدول دوم است. حال بنابر نتیجه4-4، یک - مدول دوم است. در نتیجه به عنوان- مدول، یک ایده‌آل چسبیده دارد.
نتیجه5-7: فرض کنید یک حلقه باشد که شامل یک ایده‌آل- پوچ‌توان راست باشد به طوری که حلقه در شرط زنجیر افزایشی روی ایده‌آل‌ها صدق ‌کند. آنگاه هر- مدول راست غیر صفر، یک ایده‌آل چسبیده دارد.
اثبات: بنابر نتیجه5-4، هر - مدول راست، یک ایده‌آل چسبیده دارد. حال بنابر قضیه5-6، هر- مدول راست غیر صفر یک ایده‌آل چسبیده دارد.
فصل ششم
178625520002500
زیرمدول‌های دوم
دراین فصل نشان خواهیم داد که مشابه بعضی از نتایج برای مدول‌های اول نتایجی برای مدول‌های دوم نیز وجود دارد.
قضیه6-1: فرض کنید یک ایده‌آل اول از حلقه، و یک- مدول- دوم باشد. آنگاه هر مکمل غیر صفر در یک مدول- دوم است.
اثبات: فرض کنید یک مکمل غیر صفر در باشد، و زیرمدولی از باشد به طوری که مکمل در باشد. حال اگر ایده‌آلی از باشد به طوری که، آنگاه بنابر لم4-1،. در نتیجه
،
و بنابراین داریم. از آنجایی که و مکمل است لذا . بنابراین برای هر ایده‌آل که. لذا طبق لم4-1، یک مدول دوم است. از طرفی ، و برای هر ایده‌آلی مانند که زیر مجموعه نباشد داریم. بنابراین . در نتیجه یک مدول- دوم است.
فرض کنید ایده‌آل اول حلقه باشد، و فرض کنید یک - مدول باشد. آنگاه بنابر نتیجه4-5 حاصل‌جمع هر تعداد زیرمدول- دوم از،- دوم است.
قضیه6-2: فرض کنید یک حلقه باشد و یک زنجیر از زیرمدول‌های دوم از یک- مدول راست باشد. آنگاه یک زیرمدول دوم از است.
اثبات: ابتدا توجه کنید که یک زیرمدول غیر صفر از است. فرض کنید برای هر . بنا به فرض برای هر داریم یا و در این حالات به ترتیب داریم یا . حال فرض کنید یک ایده‌آل از باشد به طوری که . آنگاه برای بعضی، و در این حالت . حال فرض کنید و . آنگاه ، از نتیجه می‌شود ، و بنابراین .
در غیر این صورت و در نتیجه . بنابراین برای هر داریم ، و در نتیجه. حال بنا بر لم4-1، مدول دوم است.
منظور از یک زیرمدول دوم ماکسیمال یک مدول، زیرمدول دومی است که مشمول در زیرمدول دوم دیگری نباشد.
نتیجه6-3: فرض کنید یک مدول غیر صفر باشد. آنگاه هر زیرمدول دوم از زیر مجموعه یک زیرمدول دوم ماکسیمال از است.
اثبات: فرض کنید یک زیرمدول دوم باشد، حال فرض کنید برابر مجموعه زیرمدول‌های دوم شامل باشد. اگر یک زنجیر از اعضای باشد، بنابر قضیه 6-2، عضو است. بنابراین هر زنجیر در کران بالا دارد و لذا بنابر لم زرن این مجموعه عضو ماکسیمال دارد.

در ]20، قضیه 4.2[ ثابت شده است که هر مدول نوتری غیر صفر شامل تعداد متناهی زیر مدول‌ اول مینیمال است.
حال به قضیه مشابهی که در زیر آمده است، و تعمیمی از ]6، نتیجه 2.6[ است، توجه کنید.
قضیه6-4: هر مدول آرتینی غیر صفر شامل فقط تعداد متناهی زیرمدول‌ دوم ماکسیمال است.
اثبات: فرض کنید یک حلقه باشد، و فرض کنید یک- مدول غیر صفر آرتینی باشد به طوری که تعداد متناهی زیرمدول دوم ماکسیمال نداشته باشد. حال فرض کنید گردایه‌ی تمام زیرمدول‌های غیر صفر از باشد به طوری که شامل تعداد متناهی زیرمدول دوم ماکسیمال از نباشد. آنگاه ، و بنابراین ناتهی است. حال از آنجایی که مدول، آرتینی است لذا این گردایه عضو مینیمال غیر صفری مانند دارد. به‌وضوح زیرمدول دوم نیست. لذا بنابر لم4-1، ایده‌آل از موجود است به طوری که و. حال فرض کنید . آنگاه به‌وضوح زیرمدولی از است به طوری که و بنابراین. فرض کنید. حال بنابر تعریف می‌توان نتیجه گرفت شامل تعداد متناهی زیرمدول دوم ماکسیمال از مانند می‌باشد به طوری که یک عدد صحیح مثبت می‌باشد، و از طرفی نتیجه می‌دهد شامل تعداد متناهی زیرمدول دوم ماکسیمال از مانند می‌باشد به طوری که یک عدد صحیح مثبت می‌باشد. حال اگر زیرمدول دوم ماکسیمالی از باشد. بنابر لم4-1، یا . اگر، آنگاه و بنابراین برای بعضی و بنابراین . در حالت دیگر اگر، آنگاه و بنابراین برای بعضی . در این حالت. در نتیجه هر زیرمدول دوم ماکسیمال از متعلق به مجموعه می‌باشد. بنابراین حداکثر به تعداد زیرمدول دوم ماکسیمال دارد و این یک تناقض است. حال فرض کنید. در این حالت، برای بعضی و دوباره می‌توان گفت حداکثر تعداد متناهی زیرمدول دوم ماکسیمال دارد.
فصل هفتم
139001514541500
نتایج بیشتر
ابتدا به نتایج زیر در مورد خانواده‌های هم- مستقل اشاره می‌کنیم.
لم7-1: فرض کنید زیرمدول‌های مدول باشند به طوری که و . آنگاه .
اثبات: ابتدا با توجه به قانون مدولار داریم
،
بنابراین
.
منظور از لم فوق این است که اگر مجموعه هم- مستقل باشند، و داشته باشیم ، آنگاه مجموعه نیز هم- مستقلند.
نتیجه7-2: فرض کنید خانواده‌ای از زیرمدول‌های- مدول باشند، به طوری که به ازای هر، داشته باشیم . در این صورت خانواده‌ای هم- مستقل از زیرمدول‌های است.
اثبات: به وسیله استقرا روی، نتیجه را ثابت می‌کنیم. فرض کنید هم‌- مستقل باشند. توجه کنید بنا بر فرض داریم . فرض کنید ، و، و قرار دهید. آنگاه . حال بنابر لم 7-1، . در نتیجه زیرمدول‌های هم- ‌مستقلند.
قضیه زیر، نتیجه اصلی این فصل است.
قضیه7-3: فرض کنید یک حلقه و یک- مدول باشد. فرض کنید ایده‌آل‌های اول متمایز از باشند به طوری که برای هر یک زیرمدول محض مانند از وجود داشته باشد به طوری‌که یک مدول - دوم باشد. آنگاه زیرمدول‌های هم- مستقلند.
اثبات: کافی است این قضیه را برای مجموعه متناهی ثابت کنیم. فرض کنید ، برای یک عدد صحیح مثبت . اگر، آنگاه چیزی برای اثبات وجود ندارد. فرض کنید . از آنجایی که ها متمایزند‌‌، بدون کاسته شدن از کلیت قضیه می‌توان فرض کرد، به ازای . فرض کنید . آنگاه از آنجایی که، لذا داریم . زیرا از آنجایی که ، داریم
و در نتیجه
از طرفی یک- مدول - دوم است، لذا
.
در نتیجه داریم ، و این یک تناقض است. بنابراین .
حال فرض کنید . در این حالت
.
زیرا نتیجه می‌دهد .
به طور مشابه نتیجه می‌دهد.
در نتیجه ، بنابراین .
از طرفی به‌وضوح داریم .
حال از آنجایی که ، یک - مدول - دوم است، داریم
.
در نتیجه داریم و لذا . بنابراین یا ، که یک تناقض است.
لذا . با تکرار این روند می‌توان نتیجه گرفت ، به ازای هر . حال بنابر نتیجه7-2 این قضیه به اثبات می‌رسد.
قضیه قبلی نتیجه فوری زیر را در پی دارد. اگر چه اثبات در ]5، قضیه 5.3[ آمده است اما اثبات آن متفاوت است.
نتیجه7-4: فرض کنید یک حلقه و یک- مدول با بعد دوگان گولدی برای یک عدد صحیح مثبت باشد. آنگاه حداکثر ایده‌آل اول چسبیده دارد.
اثبات: فرض کنید ایده‌آل‌های اول چسبیده متمایز مدول باشند به طوری که عدد صحیح مثبتی باشد که . آنگاه زیرمدول‌های وجود دارد به طوری که به ازای هر، مدول - دوم باشد. در نتیجه بنابر قضیه7-3 زیرمدول‌های هم- مستقلند و لذا بعد دوگان گولدی بزرگتر یا مساوی می‌باشد، که این یک تناقض است.
توجه کنید در نتیجه7-3 احتمال آنکه هیچ ایده‌آل چسبیده نداشته باشد وجود دارد. ما در حالت کلی نمی‌دانیم یک مدول با بعد دوگان گولدی متناهی، و در حالت خاص یک مدول آرتینی، ایده‌آل چسبیده دارد.
لم7-5: فرض کنید یک ایده‌آل اول از حلقه باشد. آنگاه گزاره های زیر برای یک- مدول راست مکمل شده قوی- دوم معادلند:
پوک است،
جمع دو زیرمدول دوم محض نیست،
جمع دو زیرمدول مکمل- دوم محض نیست.
اثبات: واضح است.
فرض کنید پوک نباشد. آنگاه، که و دو زیرمدول محض از هستند. از آنجایی که مکمل‌ شده قوی است، می‌توانیم زیرمدولی مانند بیابیم که مکمل در باشد. بنابراین داریم .
با تکرار دوباره این عمل می‌توان زیرمدولی مانند بیابیم که مکمل در باشد. بنابراین داریم. توجه داشته باشید و هر دو زیرمدول‌های محض هستند. بنابراین و هر دو غیرصفرند. حال بنا بر قضیه6-1، می‌توان نتیجه گرفت و هر دو زیرمدول‌های- دوم از نیز هستند. بنابراین به تناقض می‌رسیم
حال می‌توانیم ]6، قضیه 2.12[ را تعمیم دهیم.
قضیه7-6: فرض کنید یک ایده‌آل اول از حلقه و یک - مدول راست مکمل شده قوی- دوم با بعد دوگان گولدی متناهی باشد. آنگاه یک جمع متناهی از زیرمدول‌های پوک- دوم است.
اثبات: فرض کنید دارای بعد دوگان گولدی باشد، برای یک عدد صحیح مثبت . اگر، آنگاه را نمی‌توان به صورت مجموع دو زیرمدول محض نوشت. بنابراین پوک است. حال فرض کنید ، و حکم برای مدول‌های با بعد کمتر از ‌ برقرارباشد. می‌دانیم پوک نیست. بنابر لم 7-5، که و دو زیرمدول محض مکمل در می‌باشند که هر دو- دوم هستند. حال نشان می‌دهیم و ‌ به طور قوی مکمل‌شده اند. برای این منظور کافی است نشان دهیم، به طور قوی مکمل‌شده است. اثبات برای، مشابه است. فرض کنید ، از آنجایی که، زیرمدول مکمل است بنابراین زیرمدولی از مانند وجود دارد که مکمل برایاست. بنابراین داریم . حال از آنجایی که مکمل شده قوی است لذا زیرمدولی مانند می‌توان یافت که مکمل ‌می‌باشد. لذا داریم . حال از آنجایی که مکمل است، همچنین ، بنابر تعریف مکمل داریم . حال نشان می‌دهیم مینیمال است.
فرض کنید زیرمدولی مانند باشد که . بنابراین . حال از آنجایی که مکمل در می‌باشد، داریم . بنابراین نتیجه می‌گیریم و هر دو مکمل شده قوی‌اند. از طرفی و دارای بعد دوگان گولدی کمتر از هستند. زیرا در نتیجه بعد و کمتر از بعد می‌باشند. بنابراین هر کدام از و را می‌توان به صورت جمع متناهی از زیرمدول‌های پوک- دوم نوشت و بنابراین را نیز می‌توان به صورت جمع متناهی از زیرمدول‌های پوک- دوم نوشت.
نتیجه7-7: فرض کنید یک ایده‌آل اول از حلقه و یک- مدول راست آرتینی باشد. آنگاه هر زیرمدول- دوم از، جمع متناهی از زیرمدول‌های- دوم پوک است.
اثبات: از آنجایی که هر مدول آرتینی، مکمل شده قوی و دارای بعد دوگان گولدی متناهی است بنابر قضیه قبلی نتیجه را داریم.
حال این سوال را مطرح می‌کنیم: فرض کنید ایده‌آل اول از داده شده است. همچنین فرض کنید و دو زیرمدول محض از- مدول باشند به طوریکه و هر دو - دوم باشند، آیا مدول نیز- دوم است؟ به قضیه زیر توجه کنید.
قضیه7-8: فرض کنید یک ایده‌آل اول از حلقه باشد، و برای یک عدد صحیح مثبت، یک خانواده هم- مستقل از زیرمدول‌های باشد به طوری که به ازای هر ، یک مدول- دوم باشد. آنگاه یک مدول- دوم است.
اثبات: بوسیله استقرا روی ثابت می کنیم. اگر ، آنگاه چیزی برای اثبات وجود ندارد.
فرض کنید . حال قرار می دهیم . بنابر فرض استقرا یک مدول- دوم است. فرض کنید. از آنجایی که به ازای هر، یک مدول- دوم است داریم . بنابراین ، و درنتیجه . از طرفی . بنابراین. لذا داریم . حال اگر ایده‌آلی از باشد که. آنگاه بنابر فرض استقرا و لم4-1، و . به عبارت دیگر داریم
.
از آنجایی که ، هم- مستقلند، بنابر نتیجه7-2، بنابراین
.
در نتیجه .
و در نهایت داریم
.
بنابراین ثابت کردیم . حال بنابرلم4-1، - مدول ، - دوم است.
فرض کنید یک ایده‌آل اول حلقه، و یک- مدول باشد به طوری که به ازای یک زیرمدول محض از، یک مدول- دوم باشد. در قضیه5-2 مشاهده شد که در شرایط خاص زیرمدولی یکتا است که در بین زیرمدول‌های از که ، - دوم است، مینیمال می‌باشد.
قضیه7-9: فرض کنید یک حلقه باشد، و یک- مدول راست باشد که در شرط صدق می‌کند. فرض کنید یک زیرمدول از باشد به طوری که به ازای یک ایده‌آل اول از، یک مدول- دوم باشد، آنگاه زیرمدول از وجود دارد که نسبت به شرط که یک مدول - دوم است، مینیمال است.
اثبات: فرض کنید گردایه زیرمدول‌های از باشد که و ، یک مدول- دوم است. بدیهی است که. حال فرض کنید یک زنجیر در باشد. فرض کنید . آنگاه زیرمدولی از است که . علاوه بر این، نتیجه می‌دهد. در نتیجه . فرض کنید ایده‌آلی از باشد که به طور محض شامل می‌باشد. آنگاه و بنابراین برای هر . بنابراین
،
لذا . حال بنابر لم4-1، ، یک مدول- دوم است. بنابراین . حال بنابر لم زرن، عضو مینیمالی مانند دارد.
ما در این قضیه نمی‌دانیم که آیا است یا خیر. البته می‌دانیم .
منابع و مآخذ
Abuhlail, J. Zariski topologies for coprime and second submodules. Algebra Colloquium, to appear.
Alkan, M., Tiras, Y . . On prime submodules. Rocky. Moun. J. Math..
Alkan, M., Tiras, Y . . Projective modules and prime submodules. Czech. Math. J. .
Anderson, F . W, Fuller, K. R. . Rings and Categories of Modules. New York: Springer-Verlag.
Annin, S. . Attached primes over noncommutative rings. J. Pure Appl. Algebra .
Ansari-Toroghy, H., Farshidifar, F . On the dual notion of prime submodules. Algebra coll., to appear.
Ansari-Toroghy, H. Farshidifar, F. . The dual notions of some generalizations of prime submodules. Comm. Algebra .
Ceken, S., Alkan, M., Smith, P. F. . Second modules over noncommutative rings. Comm. Algebra
Clark, J., Lomp, C., Vanaja, N., Wisbauer, R. . Lifting Modules. Basel: Birkhauser Verlag.
Dauns, J. . Prime modules. J. Reine Angew Math..
Dauns, J. . Prime modules and one-sided ideals, in Ring theory and Algebra III, Proceedings of the Third Oklahoma Conference (B. R. McDonald, ed.) Dekker, New York, pp. .
Ebrahimi-Atani, S. . On secondary modules over Dedekind domains. Southeast Asian Bull. Math..
Ebrahimi-Atani, S. . Submodules of secondary modules. Int. J. Math. Math. Sci..
‌ Lam, T.Y. . A First Course in Noncommutative Rings. New York: Springer-Verlag.
Lam, T.Y. . Lectures on Modules and Rings. New York: Springer-Verlag.
Levy, L. . Torsion-free and divisible modules over non-integral domains. Canad. J. Math..
Lu, C.-P. . Prime submodules of modules. Comm. Math. Univ. Sancti Pauli.
Lu, C.-P. . M---icals of submodule of modules. Math. Japon. .
McCasland, R. L., Moore, M. E. . Prime submodules. Comm. Algebra .
McCasland, R. L., Smith, P. F. . Prime submodules of Noetherian modules. Rocky Mtn. J. .
McConnell, J. C., Robson, J. C. .Noncommutative Noetherian Rings. Chichester: Wiley-Interscience.
Nicholson, W. K., Yousif, M. F. . Quasi-Frobenius Rings. Cambridge Tracts in Mathematics. Vol. . Cambridge: Cambridge Univ. Press.
Sharpe, D. W., Vamos, P. . Injective Modules. Cambridge Tracts in Mathematics. Vol. . Cambridge: Cambridge Univ. Press.
Smith, P. F. . Injective modules and prime ideals. Comm. Algebra .
Tiras, Y., Harmanci, A., Smith, P. F. . A characterization of prime submodules. J. Algebra .
Yassemi, S. . The dual notion of prime submodules. Arch. Math. Brno. .
Abstract

user8271

پژوهش‌های آزمایشگاهی فیزیک هسته‌ای را می‌توان برای درک مسائل گوناگونی مانند برهم کنش کوارک ها، مراحل تکامل جهان پس از انفجار بزرگ و غیره به کار برد. اما باید یادآور شد که هنوز در فیزیک هسته‌ای یک مدل ممتاز و منحصر به فرد برای توجیه تمام خواص و پدیده‌های جالب هسته‌ای وجود ندارد. اکثراً مجبوریم پدیده‌های متنوع هسته‌ای را با مدل‌های متفاوت هسته‌ای توجیه کنیم. حتی برخی از اصولی‌ترین مسائل فیزیک هسته‌ای مانند ماهیت دقیق نیروهای هسته‌ای تا حدودی ناشناخته مانده است. تعدادی از محققین اعتقاد دارند با توجه به این که پس از مهبانگ و قبل از تشکیل هسته‌ها، جهان از یک پلاسمای کوارکی با دمای بالا اشغال شده بود و سپس با پایین آمدن دما هسته‌ها تشکیل شدند، بنابر این باید بتوان تعدادی از پدیده‌های هسته‌ای را با مدل کوارکی توجیه کرد.
1-3- پیشینه تاریخی فیزیک هسته‌ای
تلاش برای درک ماهیت اساسی ماده را به فیلسوفان یونان باستان، بویژه دموکرتیوس، نسبت می‌دهند. دموکریتوس که در قرن چهارم پیش از میلاد می‌زیست، اعتقاد داشت که هر نوع ماده را می‌توان به اجزای کوچک و کوچک‌تر تقسیم کرد، تا این که به ذره‌ای برسیم که دیگر تجزیه آن امکان پذیر نباشد. او این جزء کوچک ماده را که با چشم قابل دیدن نبود، ذره بنیادی سازنده ماده می‌دانست. این تفکر سال‌ها به صورت اندیشه‌ای فلسفی باقی ماند، تا اینکه در ابتدای قرن نوزدهم، دانشمندان علوم تجربی در این زمینه به تحقیق پرداختند، و آن تفکر فلسفی به یک نظریه علمی برجسته تبدیل شد. دالتون، آواگادرو و فاراده از جمله شیمیدانان برجسته‌ای بودند که به پیشگامان این تفکر علمی معروف شدند. در نهایت شیمیدان‌ها با تعیین جدول تناوبی مندلیف این تفکر علمی را به یک فکر سازمان یافته تبدیل کردند. از طرفی مطالعه خواص بنیادی تک تک اتم‌های عناصر مختلف را گروه دیگری از دانشمندان دنبال کردند که امروزه به شاخه فیزیک اتمی معروف است. این مطالعات در سال 1896 توسط بکرل با کشف خاصیت رادیواکتیو در برخی اتم‌ها، و سپس در سال 1898 توسط پیر و ماری کوری با شناسایی مواد رادیواکتیو دیگری ادامه پیدا کرد. در ادامه نوبت به رادرفورد رسید که از خواص این پرتوها استفاده کرده تا برعکس بتواند ساختار اتم‌ها را مطالعه و بررسی کند. در خلال همین پژوهش و تحقیق‌ها رادرفورد توانست در سال 1911 وجود هسته را در اتم اعلام کند. تایید فرضیه وجود هسته از طریق آزمایش‌های گایگر و مارسدن شاخه جدیدی از فیزیک به نام فیزیک هسته‌ای را بنا نهاد. نهایتاً در سال 1932 با کشف نوترون توسط چادویک، فیزیک هسته‌ای جایگاه مستحکم و روشن خود را در جهان پیدا کرد. به هر حال امروز پس از گذشت یک قرن هنوز تحقیق و پژوهش در زمینه فیزیک هسته‌ای آنقدر از نظر کاربردی شیرین و جذاب می‌باشد که ذهن تعداد زیادی از پژوهشگران دنیای علم و صنعت را به خود مشغول کرده است.
1-4- ذرات بنیادی و مدل استاندارداز دیرباز شناخت جهان و اجزای آن یکی از اهداف مهم هر مکتب علمی بوده است. اما امروزه تحقیقات در زمینه شناخت جهان به شاخه‌های مختلفی تقسیم شده است که هر کدام از منظری خاص ساختار عالم و اجزای آن را مورد کنکاش قرار می‌دهند.
کیهان شناسان با توجه به نظریه مهبانگ تشکیل کهکشان‌ها و ماده تاریک را بررسی می‌کنند. دانشمندان ذرات بنیادی چگونگی تشکیل سوپ کوارک- گلئونی حاصل از مهبانگ و تشکیل هادرون ها را مطالعه می‌کنند. دانشمندان هسته‌ای مکانیسم هسته سازی را بعد از تشکیل پروتون‌ها و نوترون‌ها، خواص هسته‌ها و کاربردهای آن‌ها در زندگی بشر را دنبال می‌کنند. در ادامه خط سیر تشکیل و تکامل عالم هستی، مسئولیت اتم شناسان اهمیت پیدا می‌کند، که جهان چگونه و به چه نسبتی از اتم‌های مختلف تشکیل شده است.

شکل (1- SEQ شکل_(1-_ * ARABIC 1 ): تحولات زمانی و دمایی علم از ابتدا تا کنوننمودار شکل (1-1)، یک خط زمانی از ابتدای جهان، که به اصطلاح مهبانگ نامیده می‌شود، را نشان می‌دهد و می‌رساند که چگونه و طی چه مراحلی جهان سرد شده تا به دنیای کنونی رسیده‌ایم. با نگاه به اولین لحظات جهان، مشاهده می‌شود که در لحظه ابتدایی پس از مهبانگ و در دماهای بالاتر از 1012 درجه کلوین، حالتی از ماده شامل کوارک ها و گلئون ها به صورت یک پلاسمای کوارک- گلئونی به نام پلاسمای کوارک- گلئونی وجود داشته است.این حالت ناپایدار کوارک- گلئونی در مدت بسیار کوتاهی سرد شده و پروتون‌ها و نوترون‌ها (هادرون سازی )، سپس هسته‌ها (هسته سازی ) و به دنبال آن اتم‌ها ایجاد شده‌اند. در نهایت این اتم‌ها در کنار یکدیگر مولکول‌ها را تشکیل داده و دنیای کنونی را که در آن زندگی می‌کنیم به وجود آورده‌اند.
اما به نظر می‌رسد، با توجه به سیر تشکیل عالم هستی، برای آگاهی از شناخت هسته‌ها و خواص آن‌ها باید اطلاعات و شناخت کافی از مرحله قبل از تشکیل هسته‌ها، یعنی دوره وجود سوپ کوارک- گلئونی و تشکیل هادرون ها داشته باشیم. امروزه تحقیقات فیزیک ذرات نمایانگر جاه‌طلبانه‌ترین و هماهنگ‌ترین تلاش انسان برای پاسخ به این سوال است که جهان از چه ساخته شده است [2,1]؟
بی شک شناخت کافی از مرحله قبل از تشکیل هسته‌ها و نظریه ذرات بنیادی می‌تواند شناخت بهتری از هسته‌ها و تشکیل آن‌ها برای ما به همراه داشته باشد. با اطمینان می‌توان گفت ذرات بنیادی سنگ بنای تشکیل ساختارهای کوچک و بزرگ جهان می با شد. بهترین تئوری ذرات بنیادی که تاکنون شناخته شده است، مدل استاندارد است. بنا بر این مدل تمام مواد از سه نوع ذره بنیادی ساخته شده‌اند. کوارک ها، لپتون ها و واسطه‌ها.
این تعداد ذرات به اصطلاح بنیادی به صورتی نسبتاً سر راست، راه را به سمت ساختار داخلی نوکلئون ها، یعنی کوارک ها هموار کرد. همچنین مزون پایون و تمام هادرون های دیگر از کوارک ساخته شده‌اند. الکترون و نوترینو، نیروی قوی هسته‌ای را احساس نمی‌کنند و بنابراین هادرون نیستند. آن‌ها گروه مجزایی از ذرات به نام لپتون ها را تشکیل می‌دهند. نوترینو ها تنها در برهم کنش ضعیف شرکت می‌کنند، اما الکترون که بار نیز دارد می‌تواند برهم کنش الکترومغناطیسی را نیز حس کند. لپتون ها مانند کوارک ها مرکب نیستند و بنابراین مستقیماً به همراه کوارک ها به عنوان ذرات بنیادی نقطه‌ای در جدول (1-1) وارد شده‌اند.

جدول (1- SEQ جدول_(1- * ARABIC 1): اجزای بنیادی جهان و مشخصات آنCharge
(Q) Lepton


Number
(L) Baryon
Number
(B) Spin
(S) Name +2/3 0 1/3 1/2 u (up) -1/2 0 1/3 1/2 d(down) +2/3 0 1/3 1/2 s(strange) -1/2 0 1/3 1/2 c(charm) Quarks
+2/3 0 1/3 1/2 t(top) -1/2 0 1/3 1/2 b(bottom) -1 1 0 1/2 e(electron) 0 1 0 1/2 νe(e-noutrino) -1 1 0 1/2 μ(muon) 0 1 0 1/2 νμ(μ-noutrinoLeptons
-1 1 0 1/2 τ(tau) 0 1 0 1/2 ντ(τ-noutrino) 0 0 0 1 γ(photon) ±1,0 0 0 1 w±,z0(weak boson Gauge
boson
0 0 0 1 gi(i=1,…,8 gluons) تعداد شش لپتون وجود دارد که بر حسب بار الکتریکی و عدد لپتونی دسته بندی می‌شوند. همچنین شش آنتی لپتون وجود دارد که علامت آن‌ها بر عکس لپتون ها است.
بنا بر این مدل شش طعم کوارک با اسپین 12 وجود دارد. که بالا (u)، پایین (d)، شگفتی (s)، افسون (c)، زیبایی (b) و حقیقت (t) نام دارند که هر کدام دارای یک آنتی کوارک می‌باشند. ضمنا هر کدام از کوارک ها و آنتی کوارک ها دارای سه رنگ (آبی- قرمز- سبز) هستند.
و در نهایت هر بر هم کنشی واسطه مخصوص خود را دارد. چهار نیروی اصلی و بنیادی در طبیعت وجود دارد قوی، الکترومغناطیس، ضعیف و جاذبه. نیروی جاذبه در مدل استاندارد بررسی نمی‌شود. فوتون ها واسطه نیروهای الکترومغناطیس هستند و به همین دلیل به آن‌ها حاملان نیرو می‌گویند و چون فوتون ها ذراتی بدون جرم هستند، نیروهای الکترومغناطیسی برد بالایی دارند. بوزون های باردار+ w و w- و بوزون خنثی z واسطه نیروهای ضعیف هستند، به این بوزون ها حاملان بار ضعیف می‌گویند و به علت جرم زیاد ذرات واسطه، بر هم کنش ضعیف کوتاه برد است. گلئون ها که بدون جرم اند و از نظر بار الکتریکی خنثی هستند، واسطه نیروهای قوی هستند و به آن‌ها حاملان رنگ گفته می‌شود. بر هم کنش قوی نیز به علت بدون جرم بودن گلئون ها، برد بالایی دارند اما نسبت به بر هم کنش الکترومغناطیس برد محدودتری دارند.
centercenterفصل دوم
00فصل دوم

2- مدل‌های هسته‌ای2-1- مقدمهبرهمکنش متقابل میان نوکلئون ها هنگامی که برای تشکیل هسته‌های سنگین و متوسط متراکم می‌شوند، برای مدت طولانی مورد تجزیه و تحلیل قرار گرفته‌اند. مفهوم نیروی بین هسته‌ای و محاسبه خصوصیات هسته‌ای بسیار پیچیده است و برای شناخت هسته و خصوصیات آن، تنها راه ساده سازی، شبیه سازی و استفاده از مدل‌های هسته‌ای خاص و نیروهای هسته‌ای ساده شده است.
در هر هسته حالتی با کم‌ترین انرژی، حالت پایه نامیده می‌شود و حالت‌هایی با انرژی بالاتر را، حالت‌های برانگیخته می‌نامند. بسیاری از خصوصیات نیروهای هسته‌ای را می‌توان از بررسی هسته در حالت پایه بدست آورد، در برسی های دقیق‌تر ویژگی‌های معینی ظاهر می‌شوند. مدل‌های هسته‌ای برای توضیح این ویژگی‌ها توسعه داده شده‌اند. در غیاب یک تئوری دقیق تعدادی از مدل‌های هسته‌ای توسعه یافته‌اند. برای این کار فرضیات بسیاری برای ساده سازی روابط به کار رفته‌اند. هر مدل تنها قادر به توضیح بخشی از دانش تجربی ما راجع به هسته است.
در حالت کلی مدل‌های هسته‌ای به دو گروه تقسیم می‌شوند: مدل‌های ذره مستقل (IPM) که در آن نوکلئون ها به طور مستقل در یک پتانسیل هسته‌ای معمولی حرکت می‌کنند. گروه دیگر، مدل‌های برهم کنش قوی (SIM) که در آن نوکلئون ها به طور قوی با یکدیگر جفت شده‌اند. ساده‌ترین مدل برهم کنش قوی، مدل قطره مایع است و ساده‌ترین مدل ذره مستقل، مدل گاز فرمی است.
2-2- مدل قطره مایعی و فرمول نیمه تجربی جرمنظریه مفصل بستگی هسته‌ای، مبتنی بر روش‌های ریاضی و مفاهیم فیزیکی پیچیده، توسط بروکنر و همکارانش (از 1954 تا 1961) ابداع شده است. مدل بسیار ساده شده‌ای نیز در سال 1935 توسط وایس زکر با پیشنهاد بور بدست آمد. در این مدل از بعضی ویژگی‌های ظریف‌تر نیروهای هسته‌ای صرف نظر شده است، ولی بر جاذبه قوی بین نوکلئونی تاکید می‌کند. در این مدل فرض می‌شود که نوکلئون ها با همسایه‌های نزدیک خود فعل و انفعال متقابل دارند، درست همان گونه که مولکول‌ها در یک قطره آب با هم برهم کنش دارند [5,4,3].
فرض‌های اساسی به قرار زیرند:
1- هسته از ماده غیر قابل تراکم تشکیل شده است، به طوری که R∝A1/3.
2- نیروی هسته‌ای برای هر نوکلئون یکسان است و به نوع آن بستگی ندارد.
3- نیروی هسته‌ای اشباع می‌شود.
آثار کولومبی و مکانیک کوانتومی را به طور جداگانه بررسی می‌کنیم. طبق فرض‌های 2 و 3، در یک هسته نامتناهی با A نوکلئون، انرژی بستگی اصلی متناسب با A است. اما چون هسته‌های واقعی متناهی هستند، معمولاً یک شکل کروی برای آن در نظر می‌گیرند. از این رو نوکلئون های سطحی، به اندازه آنچه هم اکنون تخمین زدیم، تحت جاذبه یکسان از طرف دیگر نوکلئون ها قرار نمی‌گیرند و از این رو باید جمله‌ای متناسب با تعداد نوکلئون های سطحی یا متناسب با مساحت سطح را از تخمین مبتنی بر هسته‌ی نا متناهی، کم کرد. از طرفی نیروی دافعه کولومبی که بین تمام جفت پروتون‌ها برقرار است، از انرژی بستگی کم خواهد کرد. (نیروی کولومبی دارای برد زیاد است و اشباع نمی‌شود). علاوه بر این، جمله‌ای را باید معرفی کنیم که به هسته‌های با N=Z، بیشترین بستگی را نسبت دهد. این جمله، پیامد مستقیمی از رفتار مکانیک کوانتومی نوترون‌ها و پروتون‌ها می‌باشد. بالاخره، باید جملات تصحیحی لازمی را معرفی کنیم که بیشترین بستگی را برای هسته‌های زوج- زوج و کمترین بستگی را برای هسته‌های فرد- فرد به دست بدهند و آثار پوسته‌ای را منعکس کنند.
اهمیت این مدل در این حقیقت نهفته است که جنبه‌های علمی داده‌های جرم هسته‌ای را تبیین می‌کند. این امر تایید کننده آن است که جمله انرژی بستگی اصلی، که متناسب با A می‌باشد، باید تصحیح شود. چون این جمله در بین فرض‌های دیگر به فرض "استقلال از بار" نیروهای هسته‌ای بستگی دارد، می‌توان نتیجه گرفت که بر هم کنش‌های هسته‌ای n-n، p-p، p-n یکسان هستند.
انرژی بستگی، B، یک هسته عبارت است از اختلاف انرژی بین جرم هسته و جرم کل پروتون‌ها (Z پروتون) و نوترون‌های تشکیل دهنده آن (N نوترون) که به صورت زیر نوشته می‌شود.
(2- SEQ (2- * ARABIC 1)B={Zmp+Nmn-mX-Zme}رابطه انرژی بستگی کل یک هسته را می‌توان به صورت زیر نوشت.
(2- SEQ (2- * ARABIC 2)BA,Ztot=avA-asA23-acZZ-1A-13-aa(N-Z)2A-1±δ+ηکه در آن
avA جمله حجمی
asA23 جمله سطحی متناسب با مساحت سطح کره(4πr2).
±δ جمله انرژی زوجیت، که برای هسته‌های با A ی فرد برابر صفر است، برای هسته‌های (N زوج - Aزوج) علامت (+) و برای هسته‌های (N فرد – Aفرد) علامت (-) را به کار می‌بریم و ???? جمله پوسته‌ای، که اگر N یا Z یک عدد جادویی باشد مثبت است.
aa(N-Z)2A-1/3 جمله انرژی عدم تقارن و acZZ-1A-13 جمله انرژی کولنی هستند.
2-2-1- انرژی عدم تقارنجمله عدم تقارن نتیجه مستقیم رفتار کوانتوم مکانیکی پروتون‌ها و نوترون‌ها است و بیشترین بستگی را به هسته‌هایی با N=Z، بیشترین بستگی را نسبت می‌دهد.
طبق اصل طرد پائولی در هر طراز فقط یک نوکلئون می‌تواند وجود داشته باشد و فرض می‌کنیم ترازها در فاصله یکسان ∆ از هم قرار داشته باشند، انرژی عدم تقارن عبارت است از اختلاف بین انرژی هسته-ای یک هسته با اعداد نوترونی و پروتونی N و Z با انرژی ایزوباری که در آن اعداد نوترونی و پروتونی، هردو، مساوی A2 است. اگر بخواهیم هسته اول را از هسته دوم بسازیم باید v پروتون به نوترون تبدیل شود، یعنی
N=12A+v و Z=12A-v → v=12(N-Z) و انرژی لازم برای این کار v2∆ است. و با قرار دادن 1A به جای ∆، جمله انرژی عدم تقارن بدست می‌آید.
2-2-2- انرژی کولنیما در فرض‌های اولیه، دافعه کولنی بین پروتون‌ها را در نظر نگرفتیم، این نیرو دارای برد بلند است و اشباع نمی‌شود، برای محاسبه این نیرو، هسته را به صورت یک کره با بار Ze و شعاع R در نظر بگیریم، آنگاه انرژی کولنی با توجه به روابط زیر محاسبه می‌شود:
(2- SEQ (2- * ARABIC 3)Eکولنی=0ZeQ(r)rdQاز طرفی
(2- SEQ (2- * ARABIC 4)Qr=Ze(rR)3(2- SEQ (2- * ARABIC 5)dQ=3Zer2R3drبا جایگذاری دو عبارت بالا در عبارت اول داریم:
(2- SEQ (2- * ARABIC 6) Eکولنی=0R3(Ze)2rr5R6dr=35(Ze)2Rعبارت بالا شامل یک جمله خود انرژی 3e25R برای هر پروتون است (که با قرار دادن Z=1 پیدا می‌شود)، که اضافه محاسبه شده است، و باید این جمله برای Z پروتون از جمله بالا کسر گردد.
(2- SEQ (2- * ARABIC 7): Ec=35Z(Z-1)e2A13نمودار انرژی بستگی هسته‌ها بر حسب داده‌های تجربی و فرمول نیمه تجربی جرم در شکل‌های .(2-1) و (2-2) نشان داده شده است.

شکل(2- SEQ شکل(2- * ARABIC 1): انرژی بستگی هسته‌ها که به صورت تجربی به دست آمده‌اند.
شکل(2- SEQ شکل(2- * ARABIC 2): انرژی بستگی هسته‌ها براساس فرمول نیمه تجربی جرمهر چند که مدل قطره مایعی را بیشتر بر حالت‌های پایه اعمال می‌کنند، ولی می‌توان آن را برای حالت‌های برانگیخته نیز به کار برد. این حالت‌ها می‌توانند توسط نوسان‌های سطحی قطره‌ی هسته، یا توسط چین و شکن‌هایی که بر روی سطح آن حرکت می‌کنند، ایجاد شوند. این عقیده مخصوصاً در توجیه بعضی از جنبه‌های شکافت هسته‌ای موفق بوده است. مدل قطره مایعی بر آثار جمعی بین نوکلئون های متعدد موجود در هسته نیز تایید دارد و پیشقراول مدل‌های جمعی ساختار هسته‌ای است. آنچه در این مدل صراحت دارد تقسیم سریع انرژی بین نوکلئون هاست که مبنای نظری بوهر را در مورد شکل بندی هسته مرکب در واکنش‌های هسته‌ای تشکیل می‌دهد [6].
2-3- مدل پوسته‌ای هسته2-3-1- مقدمهنظریه اتمی با استفاده از مدل پوسته‌ای توانسته است به طور کاملاً روشن جزئیات پیچیده ساختار اتم‌ها را توضیح دهد. به همین دلیل متخصصان فیزیک هسته‌ای، به امید آنکه بتوانند به توصیف روشنی از خواص هسته‌ها دست یابند، سعی کردند در بررسی ساختار هسته‌ای از نظریه مشابهی استفاده کنند. در مدل پوسته‌ای اتم‌ها، پوسته‌ها را با الکترون‌هایی که انرژی‌شان به ترتیب افزایش می‌یابد پر می‌کنیم، و این آرایش الکترونی به گونه‌ای است که اصل طرد پائولی در آن رعایت می‌شود. بدین ترتیب، هر اتم متشکل است از: یک ناحیه مرکزی خنثی که پوسته‌های پر دارد، و چند الکترون ظرفیت که در پوسته‌ای خارج از این ناحیه مرکزی قرار می‌گیرند. در این مدل، فرض بر این است که عمدتاً همین الکترون‌های ظرفیت هستند که خواص اتم‌ها را تعیین می‌کنند. هنگامی که پیش بینی‌های این مدل را با بعضی از خواص اندازه گیری شده سیستم‌های اتمی مقایسه می‌کنیم، آن‌ها را به خوبی یا هم سازگار می‌یابیم. بویژه مشاهده می‌کنیم که تغییرات خواص اتمی در محدوده هر زیر پوسته تدریجی و کم است، در حالی که وقتی از یک زیر پوسته به زیر پوسته دیگر می‌رویم تغییرات خواص ناگهانی و زیاد است.
هنگامی که سعی می‌کنیم تا این مدل را به قلمرو هسته‌ای هم گسترش دهیم، از همان آغاز کار با چند مانع روبرو می‌شویم. در مورد اتم‌ها، پتانسیل حاکم را میدان کولنی هسته تأمین می‌کند. یعنی یک عامل خارجی زیر پوسته‌ها (یا مدارها) را سازمان می‌دهد. اما در مورد هسته هیچ عامل خارجی وجود ندارد، و نوکلئون ها در پتانسیلی که خودشان به وجود می‌آورند در حرکت اند. یکی دیگر از جنبه‌های جالب توجه نظریه پوسته‌ای اتم‌ها وجود مدارهای فضایی است. خواص اتم‌ها را اغلب بر حسب مدارهای فضایی الکترون‌ها توصیف می‌کنیم. الکترون‌ها می‌توانند نسبتاً آزادانه در این مدارها حرکت کنند، بدون اینکه برخوردی با الکترون‌های دیگر داشته باشند. قطر نوکلئون ها در مقایسه با اندازه هسته نسبتاً بزرگ است. در حالی که هر نوکلئون منفرد در خلال حرکتش در هر مدار می‌تواند برخوردهای متعددی با نوکلئون های دیگر داشته باشد، چگونه می‌توان نوکلئون ها را در مدارهای کاملاً مشخص در حرکت تصور کرد. در مدل پوسته‌ای، مسئله پتانسیل هسته‌ای را با بیان این فرض بنیادی حل می‌کنیم: حرکت هر نوکلئون منفرد را تحت تأثیر پتانسیل واحدی که نوکلئون های دیگر همه در تولید آن شرکت دارند، در نظر می‌گیریم. اگر هر یک از نوکلئون ها را به این نحو مورد بررسی قرار دهیم، آنگاه برای تمامی نوکلئون های موجود در هسته می‌توانیم ترازهای انرژی متناظر به زیر پوسته‌ها را به دست آوریم. وجود مدارهای فضایی مشخص را اصل طرد پائولی تعیین می‌کند. فرض می‌کنیم که در یک هسته سنگین، تقریباً در ته چاه پتانسیل، برخوردی بین دو نوکلئون صورت می‌گیرد و نوکلئون ها هنگام برخورد با هم انرژی تولید می‌کنند، اما اگر تمامی ترازهای انرژی تا تراز نوکلئون های ظرفیت پر شده باشد، هیچ راهی برای کسب انرژی نوکلئون نمی‌ماند؛ مگر آنکه مقدار انرژی به اندازه‌ای باشد که نوکلئون را به تراز ظرفیت برساند. سایر ترازهای نزدیک‌تر به تراز اولیه نوکلئون همگی پر هستند و نمی‌توانند یک نوکلئون اضافی را بپذیرند. انرژی لازم برای این انتقال که از ترازی نزدیک به تراز پایه به نوار ظرفیت انجام می‌شود، بیشتر از مقداری است که معمولاً در برخورد بین دو نوکلئون از یکی از آن‌ها به دیگری منتقل می‌شود. از این رو، چنین برخوردی بین نوکلئون ها نمی‌تواند صورت گیرد، و گویی نوکلئون ها در حرکت مداری شان با هیچ گونه ممانعتی از طرف نوکلئون های درون هسته روبرو نمی‌شوند [7].

2-3-2- پتانسیل مدل پوسته‌اینخستین گام در ارائه مدل پوسته‌ای، انتخاب پتانسیل هسته‌ای مناسب است. در آغاز دو نوع پتانسیل چاه نا متناهی و نوسانگر هماهنگ را در نظر می‌گیریم. همچنانکه در فیزیک اتمی دیدیم، واگنی هر تراز را تعداد نوکلئون هایی که می‌توانند در آن قرار بگیرند تعیین می‌کند. به عبارت دیگر، واگنی هر تراز برابر 2(l+1) می‌شود که در آن عامل (l+1) از طریق واگنی ml و عامل 2 از طریق واگنی ms حاصل شده است. نوترون‌ها و پروتون‌ها، چون ذرات نایکسان هستند، به طور جداگانه شمرده می‌شوند. بنابراین در تراز 1s علاوه بر 2 نوترون، 2 پروتون هم می‌تواند قرار گیرد. ظهور اعداد جادویی 2، 8 و 20 در هر دو نوع پتانسیل دل گرم کننده است، ولی در ترازهای انرژی بالاتر هیچ گونه ارتباطی با اعداد جادویی تجربی به چشم نمی خورد. به عنوان اولین گام در اصلاح مدل، سعی می‌کنیم پتانسیل واقع بینانه تری را انتخاب کنیم. چاه نا متناهی، بنابر دلایلی، تقریب خوبی برای پتانسیل هسته‌ای نیست: برای جدا کردن یک نوترون یا پروتون از هسته، با صرف انرژی کافی باید بتوانیم آن را از چاه خارج کنیم.دراین صورت،عمق چاه نمی نواند بی نهایت باشد. بعلاوه،لبه پتانسیل هسته‌ای نباید تیز باشد بلکه مثل توزیع بار و جرم هسته‌ای، مقدار پتانسیل بعد از شعاع میانگین، R، باید به آهستگی به سوی صفر میل کند. از طرف دیگر، پتانسیل نوسانگر هماهنگ هم لبه اش به اندازه کافی تیز نیست و انرژی جدایی آن نیز بی نهایت می‌شود. از این رو شکل واقع بینانه تر پتانسیل را به صورت بینابینی
(2- SEQ (2- * ARABIC 8)Vr=-V01+exp⁡[(r-R)a]انتخاب می‌کنیم که منحنی نمایش آن در شکل (2- SEQ شکل(2- * ARABIC 3):رسم شده است. پارامترهای R و a به ترتیب شعاع میانگین و ضخامت پوسته هستند، که مقادیرشان تقریباً برابر است با: R=1.25A13fm و a=0.524fm. عمق چاه V0چنان تنظیم می‌شود که برای انرژی‌های جدایی که از مرتبه 50Mev است، مقادیر مناسبی به دست می‌آید. ترازهای انرژی حاصل در شکل (2-4) نشان داده شده است. نتیجه پتانسیل جدید، در مقایسه با نوسانگر هماهنگ این است که واگنی l را در پوسته‌های جدید برطرف می‌کند. هر چه به طرف انرژی‌های بالاتر پیش می‌رویم، فاصله ایجاد شده در این مورد بیشتر می‌شود، به طوری که سرانجام این فاصله بن فاصله بین ترازهای نوسانگر هماهنگ قابل مقایسه خواهد شد. وقتی پوسته‌های حاصل را به ترتیب با 2(l+1) نوکلئون پر می‌کنیم، باز هم اعداد جادویی 2، 8 و 20 را به دست می‌آوریم، ولی اعداد جادویی بالاتر را نمی‌توان با این محاسبات پیدا کرد.

شکل(2- SEQ شکل(2- * ARABIC 4): پتانسیل هسته‌ای بین نوکلئون های هسته به همراه پتانسیل کولنی.2-3-3- پتانسیل اسپین- مداراین پتانسیل را چگونه می‌توانیم اصلاح کنیم تا همه اعداد جادویی را از آن بدست آوریم؟ چون نمی- خواهیم محتوای فیزیکی این مدل را از بین ببریم، مسلماً نمی‌توانیم تغییر زیادی در پتانسیل وارد کنیم. دلایل توجیهی معادله (2- SEQ (2- * ARABIC 9) را به عنوان یک حدس خوب پتانسیل هسته‌ای قبلاً ارائه کردیم. بنابراین، برای بهبود محاسبات لازم است که جمله‌های مختلفی به معادله (2- SEQ (2- * ARABIC 10) افزوده شود. در دهه 1940 تلاش‌های نافرجام زیادی برای یافتن این جمله تصحیحی صورت گرفت و سرانجام مایر، هاکسل، سوئس و جنسن در سال 1949 موفق شدند که با افزودن یک پتانسیل اسپین- مدار فاصله‌های مناسبی بین زیر پوسته‌ها به دست آورند [9,8].
در اینجا بار دیگر به فیزیک اتمی روی می‌آوریم، یکی دیگر از مفاهیم آن را به کار می‌گیریم. برهم کنش اسپین- مدار در فیزیک اتمی که مولد ساختار ریز مشاهده شده در خطوط طیفی است، از برهم کنش الکترومغناطیسی بین گشتاور مغناطیسی الکترون و میدان مغناطیسی ناشی از حرکت الکترون به دور هسته حاصل می‌شود. اثر این برهم کنش نوعاً خیلی کوچک و شاید از مرتبه یک قسمت از 105 قسمت فاصله بین ترازهای اتمی است.
هیچ برهم کنش الکترومغناطیسی از این نوع نخواهد توانست تغییرات محسوسی را در فواصل تراز هسته‌ای ایجاد و اعداد جادویی را باز تولید کند. با وجود این، در اینجا مفهوم نیروی اسپین- مدار هسته‌ای را به همان صورت نیروی اسپین- مدار اتمی، ولی نه از نوع الکترومغناطیسی آن، در نظر می‌گیریم. در واقع، به توجه به آزمایش‌های پراکندگی شواهدی قوی در دست است که حاکی از وجود نیروی اسپین- مدار در برهم کنش نوکلئون- نوکلئون است.
برهم کنش اسپین مدار را به صورت Vsorl∙s در نظر می‌گیریم، ولی شکل Vsor خیلی مهم نیست. این عامل l∙s است که باعث تجدید سازمان ترازها می‌شود. همچنان که در فیزیک اتمی دیدیم، حالت‌ها را در حظور برهم کنش اسپین- مدار بایر با تکانه زاویه‌ای کل j=l+s نشانه گذاری می‌کنیم. عدد کوانتومی اسپین هر نوکلئون برابر s=12 است، پس مقادیر ممکن برای عدد کوانتومی تکانه زاویه‌ای کل عبارت اند از j=l+12 و j=l-12 ( البته به استثنای مورد l=0 که در آن فقط مقدار j=12 مجاز است). مقدار انتظاری l∙s را با استفاده از یک شگرد متداول می‌توان محاسبه کرد. نخست مقدار j2=(l+s)2 را به دست می‌آوریم.
(2- SEQ (2- * ARABIC 11)j2=l2+2l∙s+s2(2- SEQ (2- * ARABIC 12)l∙s=12(j2-l2-s2)با قرار دادن مقادیر انتظاری در این معادله، رابطه زیر حاصل می‌شود.
(2- SEQ (2- * ARABIC 13)l∙s=12[jj+1-ll+1-ss+1]اکنون تراز 1f (l=3) را که دارای واگنی 2(l+1)=14 است را در نظر می‌گیریم. مقادیر ممکی برای j در این تراز عبارتند از l∓12=52, 72 بنابراین، ترازهای مورد نظر به صورت 1f52 و 1f72 خواهند بود. واگنی هر تراز برابر (2j+1) است که از مقادیر mj حاصل می‌شود. ( در حضور برهم کنش اسپین- مدار، ms و ml دیگر اعداد کوانتومی «خوب» به حساب نمی آیند و نمی‌توان آن‌ها را برای نمایاندن حالت‌ها یا شمردن وگنی ها به کار برد.) در این صورت، ظرفیت نوکلئونی تراز 1f52 برابر 6 و ظرفیت 1f72 برابر 8 می‌شود که از جمع آن‌ها مجددا 14 حالت به دست می‌آید ( تعداد حالت‌های ممکن باید حفظ شود، فقط نحوه دسته بندی آن‌ها را تغییر داده ایم ). فاصله انرژی بین حالت‌های 1f52 و 1f72 که زوج اسپین مدار یا دوتایه نامیده می‌شوند، متناسب با مقدار l∙s است. در واقع می‌توان اختلاف انرژی هر زوج حالتی را که در آن l>0 باشد را محاسبه کرد.
(2- SEQ (2- * ARABIC 14)l∙sj=l+12-l∙sj=l-12=12(2l+1)شکافتگی (یا فاصله) انرژی بین حالت‌ها با افزایش j افزایش می‌یابد. حال اگر اثر Vsor را به صورت منفی در نظر بگیریم، عضوی از زوج، که مقدار j در آن بزرگتر است در سطح پایین‌تر قرار خواهد گرفت. اثر این شکافتگی در نمودار شکل (4-2) نشان داده شده است. در اینجا، تراز 1f72 در فاصله (یا گاف) بین پوسته‌های دوم و سوم قرار می‌گیرد. ظرفیت این تراز برابر 8 نوکلئون است، بدین سان عدد جادویی 28 از آرایش جدید حاصل خواهد شد. شکافتگی های d و p به اندازه‌ای نیستند که تغییرات مهمی در دسته بندی ترازها به وجود آورند.) اثر مهم بعدی ناشی از جمله تصحیحی اسپین- مدار را در تراز 1g می‌بینیم. حالت 1g9/2 آنقدر به پایین رانده می‌شود که در پوسته اصلی پایین‌تر قرار می‌گیرد، و وقتی ظرفیت 10 نوکلئونی آن به پوسته 40 نوکلئونی قبلی افزوده می‌شود، عدد جادویی 50 به دست می‌آید. این اثر روی پوسته‌های اصلی دیگر نیز تکرار می‌شود. در هر یک از این موارد، عضو کم انرژی تر زوج اسپین- مدار از پوسته بعدی به پوسته قبلی تنزل می‌کند، و بدین ترتیب باقیمانده اعداد جادویی هم طبق انتظار به دست می‌آید.
مدل پوسته‌ای با وجود سادگی‌اش، در توضیح اسپین و پاریته حالت پایه تقریباً تمام هسته‌ها موفق بوده است، و آن‌ها را به خوبی باز تولید می‌کند. برای گشتاورهای دوقطبی مغناطیسی و چهار قطبی الکتریکی آن‌ها نیز توضیحی نسبتاً موفق (و رضایت بخش) به دست می‌دهد. کاربرد خاصی از مدل پوسته‌ای را که در اینجا در نظر گرفتیم، مدل ذره‌ای خیلی مستقل می‌گویند. فرضیه اساسی مدل ذره‌ی خیلی مستقل این است که به استثنای یکی از نوکلئون ها، بقیه نوکلئون های موجود در هسته تزویج شده‌اند و خواص هسته از همین نوکلئون تزویج نشده منفرد ناشی می‌شود. روشن است که چنین برخوردی مسئله را بیش از حد ساده می‌کند، و بهتر است که در تقریب بعدی تمام ذرات موجود در زیر پوسته پر نشده را در نظر بگیریم [7].
32258005924179c0c
22771105925449b0b
14839955914126a0a

شکل(2- SEQ شکل(2- * ARABIC 5): ترازهای انرژی هسته‌ها. (a با در نظرگرفتن پتانسیل نوسانگر هماهنگ ساده . (b با در نظر گرفتن چاه پتانسیل با لبه‌های گرد شده. (c چاه پتانسیل با لبه گرد شده همراه با برهم کنش اسپین- مدار.
centercenterفصل سوم
00فصل سوم

3- فرایند تبدیل داخلی3-1- خواص دینامیک هسته‌هاهمان طوریکه اتم‌ها جدول مندلیف را با نظم خاصی پر می‌کنند و می‌توانند حالت‌های برانگیخته داشته باشند، پیش بینی می‌شد که هسته‌ها هم بتوانند دارای ترازهای انرژی و حالت‌های برانگیخته باشند. با این تفاوت که هسته‌ها در هنگام گذار از حالت‌های برانگیخته به حالت پایه پرتوهای گاما تابش می‌کنند. از طرفی هسته‌ها می‌توانند با گسیل ذرات آلفا و بتا یا از طریق بمباران و یا سایر واکنش‌های هسته‌ای به یکدیگر تبدیل شوند. خواص دینامیک هسته‌ها را می‌توان با گذار از یک حالت اولیه به حالت نهایی مشخص کرد.
با مطالعه گسیل گاما و فرایند رقیب آن یعنی تبدیل داخلی، تعیین اسپین و پاریته حالات برانگیخته امکان پذیر می‌شود. یک هسته برانگیخته همواره می‌تواند با گسیل تابش الکترومغناطیسی یا تبدیل داخلی به حالت‌های کم انرژی تر واپاشی کند. از طرفی هسته‌ها می‌توانند با گسیل ذرات α و β، یا از طریق بمباران و یا سایر واکنش‌های هسته‌ای به یک دیگر تبدیل شوند. در تمام برهم کنش‌های بالا، اصول پایستگی انرژی، اندازه حرکت خطی، اندازه حرکت زاویه‌ای، بار الکتریکی و تعداد نوکلئون ها برقرار است. اصول پایستگی فوق توانسته است در کشف مجهولات به دانشمندان کمک شایانی کند. مانند کشف نوترینو که وجود آن به کمک پایستگی انرژی و اندازه حرکت خطی پیش بینی و در آزمایشگاه تایید شد.

3-1-1- واپاشی آلفاییتا کنون بیش از 1000 هسته تولید شده و در آزمایشگاه مورد مطالعه قرار گرفته است. هر چند فقط کمتر از 300 تا از این هسته‌ها پایدارند و بقیه آن‌ها رادیواکتیو هستند. هسته‌های پایدار فقط در یک باند بسیار کوچک در نمودار N-Z اتفاق می‌افتد.
ذرات آلفا به عنوان کم نفوذترین تابش‌هایی که از مواد طبیعی گسیل می‌شود، شناسایی شده‌اند.
در سال 1909 رادرفورد نشان داد همانطور که حدس زده می‌شد، ذرات آلفا واقعاً از هسته‌های هلیم تشکیل شده‌اند. تعداد زیادی از هسته‌های سنگین، مخصوصاً هسته‌های مربوط به سری‌های رادیواکتیو طبیعی با گسیل آلفا واپاشی می‌کنند. گسیل هر نوع نوکلئون دیگر در فرایند واپاشی رادیواکتیو خود به خود به ندرت اتفاق می‌افتد. به عنوان مثال گسیل دوتریوم در فرایند واپاشی های طبیعی ملاحظه نشده است. بنابراین باید دلیل خاصی برای انتخاب گسیل آلفا نسبت به سایر مدهای واپاشی وجود داشته باشد. واپاشی آلفایی در هسته‌های سنگین به طور فزاینده‌ای اهمیت پیدا می‌کند، زیرا آهنگ افزایش نیروی دافعه کولنی که به صورت تابعی از z2 افزایش می‌یابد از نیروی بستگی هسته که تقریباً متناسب با A افزایش می‌یابد بیشتر است.
ذره آلفا به دلیل ساختار بسیار پایدار و نسبتاً مقیدش، در مقایسه با اجزای تشکیل دهنده‌اش، جرم نسبتاً کمی دارد. بنابراین در مواردی که امیدواریم محصولات فروپاشی تا جایی که امکان دارد سبک و انرژی آزاد شده حداکثر مقدار را داشته باشد، باید گسیل این ذره را انتظار داشته باشیم. اغلب هسته‌های با A>190 (و بسیاری از هسته‌ها با 150<A<190) از لحاظ انرژی در برابر گسیل آلفا ناپایدارند ولی فقط نیمی از آن‌ها بقیه شرایط را نیز دارا هستند [10].
3-1-2- واپاشی بتازاواپاشی بتا متداول‌ترین نوع واپاشی پرتوزا است. در هسته‌های سبک‌تر احتمال واپاشی α بسیار کم است. این هسته‌ها برای رسیدن به پایداری یک یا چند شکل از واپاشی بتا را متحمل می‌شوند. گسیل الکترون‌های منفی معمولی از هسته، یکی از اولین پدیده‌های واپاشی رادیواکتیوی بود که مشاهده شد. فرایند معکوس گیراندازی الکترون مداری توسط هسته، تا سال 1938 مشاهده نشده بود در این سال آلوارز پرتوهای x مشخصه گسیل شده در اثر پر شدن جای خالی الکترون‌های گیراندازی شده را آشکارسازی کرد. در سال 1934 ژولیو- کوری برای اولین بار فرایند گسیل الکترون مثبت (پوزیترون) در فرایند رادیواکتیو را، دو سال پس از کشف پوزیترون در پرتوهای کیهانی، مشاهده کردند. سه فرایند فوق ارتباط نردیک با هم دارند و تحت عنوان مشترک واپاشی بتازا رده بندی می‌شوند [11].
3-1-3- واپاشی گامابیشتر واپاشی های آلفازا و بتازا، و در حقیقت بیشتر واکنش‌های هسته‌ای، هسته نهایی را در حالت برانگیخته باقی می‌گذارند. این حالات برانگیخته با گسیل یکی دو پرتو گاما که همان فوتون های تابش الکترومغناطیس مانند پرتوهای x یا نور مرئی هستند، به سرعت به حالت پایه واپاشیده می‌شوند. انرژی پرتوهای گاما در گسترهMev 0.1 تاMev 10 هستند. محدوده طول موج آن‌ها بین 104 تا fm 100 است. واپاشی گامازا علاوه بر اینکه تایید کننده مدل لایه‌ای برای هسته‌ها است، اطلاعات خوبی از ساختار هسته و طیف‌های انرژی آن نیز در اختیار ما قرار می‌دهد. این پرتوها به دلیل قدرت نفوذ بالا و جذب و پراکندگی ناچیز در هوا به خوبی قابل آشکارسازی هستند. انرژی پرتوهای گاما با دقت زیادی قابل اندازه گیری هستند. به علاوه مطالعه گسیل گاما و فرایند رقیب آن یعنی تبدیل داخلی، تعیین اسپین و پاریته حالات برانگیخته را امکان پذیر می‌سازد [12].
3-1-4- تبدیل داخلیفرایند تبدیل داخلی یک فرایند الکترومغناطیسی است که با گسیل γ رقابت می‌کند. در این مورد، میدان‌های چند قطبی الکترومغناطیسی هسته سبب گسیل فوتون نمی‌شوند، بلکه برهم کنش میدان‌ها با الکترون‌های اتمی باعث گسیل یکی از الکترون‌های اتم می‌شود (در این حالت هسته با الکترون از طریق فوتون های مجازی بجای فوتون های واقعی برهم کنش دارد). بر خلاف واپاشی بتازا، الکترون در فرایند واپاشی خلق نمی‌شود، بلکه الکترونی است که از قبل در یکی از مدارهای اتم وجود داشته است. به این دلیل، آهنگ واپاشی تبدیل داخلی با تغییر محیط شیمیایی و در نتیجه تغییر مدارهای اتمی می‌تواند اندکی تغییر کند. اما باید توجه کرد که این فرایند دو مرحله‌ای نیست که در آن ابتدا فوتون توسط هسته گسیل شود و سپس الکترون اتمی را با فرایندی مشابه پدیده فوتوالکتریک بیرون براند، احتمال چنین فرایندی بسیار ناچیز است.
در این حالت انرژی هسته‌ای ∆E=Ei-Ef به یک الکترون اتمی منتقل می‌شود و آنرا با انرژی جنبشی:
(3- SEQ (3- * ARABIC 1)Te=Ei-Ef-Bnبیرون می‌اندازد، که در آن Bn انرژی بستگی الکترون در لایه اتمی است که الکترون از آن بیرون انداخته شده است. به علت اینکه انرژی بستگی الکترون از مداری به مدار دیگر فرق می‌کند، حتی برای یک گذار معین ∆E هم الکترون‌های تبدیل داخلی دارای انرژی‌های متفاوتی خواهند بود. بدین سان، طیف الکترون چشمه ای که یک گامای منفرد گسیل می‌کند از مولفه های مختلف تشکیل شده است؛ و این مولفه ها بر خلاف الکترون‌هایی که در واپاشی بتازا گسیل می‌شوند انرژی‌های گسسته ای دارند. بیشتر چشمه های رادیواکتیو، هم الکترون‌های واپاشی بتازا و هم الکترون‌های تبدیل داخلی گسیل می‌کنند، و جدا کردن قله های ناپیوسته الکترون‌های تبدیل داخلی که روی طیف پیوسته β قرار دارند کار نسبتاً آسانی است. شکل (3-1).

شکل(3- SEQ شکل(3- * ARABIC 1): نمونه‌ای از طیف الکترون که ممکن است از یک چشمه رادیواکتیو گسیل شود. چند قله ناپیوسته تبدیل داخلی روی زمینه ناپیوسته واپاشی بتازا قرار دارند.طبق معادله (3- SEQ (3- * ARABIC 2) ، فرایند تبدیل داخلی انرژی آستانه‌ای برابر انرژی بستگی در یک مدار خاص دارد؛ در نتیجه الکترون‌های تبدیل با توجه به پوسته الکترونی که از آن سرچشمه گرفته‌اند با K و L و M و ... مشخص می‌شوند که متناظر با اعداد کوانتومی اصلی n=1,2,3,… هستند. بعلاوه اگر توان تفکیک بسیار زیاد باشد، حتی زیر ساختارهای متناظر با تک تک الکترون‌های هر پوسته را ملاحظه خواهیم کرد. برای مثال پوسته L (n=2 ) دارای اربیتال های اتمی 2s1/2، 2p1/2 و 2p3/2 است؛ الکترون‌های ناشی از این پوسته‌ها به ترتیب الکترون‌های تبدیل LI، LII و LIII نامیده می‌شوند.
پس از فرایند تبدیل، جای الکترون گسیل شده در یکی از پوسته‌های اتم خالی می‌ماند که آن را تهیجا می‌گویند. این تهیجا به سرعت توسط الکترون‌های پوسته‌های بالاتر پر می‌شود، و در نتیجه گسیل پرتوx مشخصه را نیز همراه الکترون‌های تبدیل داخلی مشاهده می‌کنیم.
شکل (3-2)، طیف الکترون 203Hg را نشان می‌دهد. در این شکل طیف پیوسته β و خطوط الکترونی، در انرژی‌های محاسبه شده، قابل مشاهده‌اند.
یکی از نکاتی که در این شکل کاملاً مشهود است، شدت متغیر الکترون‌های تبدیل در واپاشی است. این تغییرات به خصوصیت چند قطبی میدان تابش بستگی دارد؛ در حقیقت اندازه گیری احتمالات نسبی گسیل الکترون تبدیلی یکی از راه‌های اصلی تعیین مشخصات چند قطبی است.
در بعضی موارد، تبدیل داخلی بر تابش گاما ارجحیت دارد؛ در بقیه موارد ممکن است در مقایسه با گسیل گاما کاملا˝ ناچیز باشد. به عنوان یک قانون کلی، در محاسبه احتمال واپاشی گاما باید تصحیح تبدیل داخلی انجام شود. یعنی اگر نیمه عمر (t12∝1λ) یک تراز خاص را بدانیم، احتمال واپاشی کل λt ( برابر0.693t12 ) دارای دو مولفه است، یکی (λγ) ناشی از گسیل گاما و دیگری (λe) ناشی از تبدیل داخلی
(3- SEQ (3- * ARABIC 3)λt=λe+(λγ)واپاشی تراز از طریق فرایند ترکیبی (گسیل گاما و تبدیل داخلی) خیلی سریع‌تر از گسیل گاما به تنهایی خواهد بود. ضریب تبدیل داخلی α را به صورت زیر تعریف می‌کنیم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 4)α=λeλγضریب تبدیل داخلی α، احتمال گسیل الکترون را نسبت به گسیل گاما نشان می‌دهد، که بزرگی آن از مقادیر بسیار کوچک (تقریباً صفر) تا مقادیر بسیار بزرگ تغییر می‌کند. بدین ترتیب، احتمال کلی واپاشی به صورت زیر است
(3- SEQ (3- * ARABIC 5)λt=λγ(1+α)
شکل(3- SEQ شکل(3- * ARABIC 2): طیف الکترون حاصل از واپاشی 203Hg در تصویر بالا، طیف پیوسته بتا همراه با خطوط تبدیل K، L و M تفکیک نشده قابل مشاهده است. در تصویر میانی طیف تبدیل با تفکیک بیشتر نشان داده شده است؛ خطوط L و M به خوبی جدا شده اند و حتی L III نیز تفکیک شده است. در تفکیک خیلی بهتر شکل پایینی، خطوط LI وLII به خوبی از هم جدا شده‌اند.اگر α را ضریب تبدیل داخلی کل بدانیم، آنگاه می‌توانیم ضریب‌های جزئی مربوط به پوسته‌های اتمی مختلف را به صورت زیر در نظر می‌گیریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 6)λt=λγ(1+αK+αL+αM+…)و در نتیجه
(3- SEQ (3- * ARABIC 7)α=αK+αL+αM+…که با در نظر گرفتن زیر پوسته‌ها، می‌توانیم آن را به صورت زیر بنویسیم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 8)αL=αLI+αLII+αLIIIو برای سایر پوسته‌ها هم می‌توانیم روابط مشابهی را بنویسیم.
اهمیت تبدیل داخلی در مطالعات مربوط به ساختار هسته در این واقعیت نهفته است که به ازای یک اختلاف انرژی مفروض Ei-Ef و عدد اتمی Z هسته واپاشنده، ضریب تبدیل محسوسا˝ به نوع و مرتبه قطبیت گذار الکترومغناطیسی متناظر بستگی دارد [14,13].
3-2- محاسبه ضریب تبدیل داخلیهمانطور که گفته شد فرایند تبدیل داخلی یک فرایند الکترومغناطیسی است که در آن هسته با بیرون انداختن یک الکترون اتمی به جای گسیل گاما از حالت برانگیخته خارج می‌شود. الکترون‌هایی را که به این صورت بیرون انداخته شده را الکترون‌های تبدیل می‌نامند. ضریب تبدیل داخلی به عدد اتمی هسته ، انرژی و خصوصیات چند قطبی بودن گذار بستگی دارد. بنابراین مطالعه ما کمک بزرگی در بررسی سطوح انرژی هسته است.
در اینجا یکی از ساده‌ترین موارد را بررسی می‌کنیم. فرض می‌کنیم هسته در یک حالت برانگیخته است که می‌تواند با گسیل تابش E1 به حالت پایه برود. هسته را می‌توان با یک دوقطبی الکتریکی با فرکانس ω مقایسه کرد. حضور این دوقطبی ممکن است باعث القای گذارهایی از حالت پایه اتم به حالت برانگیخته شود. به طور خاص، الکترون‌های K، که در حالت 1S هستند، می‌توانند با تابش دو قطبی به حالت p بروند. برای محاسبه احتمال این گذار از قانون طلایی فرمی استفاده می‌کنیم.
احتمال این گذار طبق قانون دوم فرمی به صورت زیر است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 9)w=2πℏMif2ρ(Ef)می‌خواهیم المان‌های ماتریسی Mif و چگالی حالت‌های نهایی قابل دسترس ρ(Ef) را محاسبه کنیم.
تابع موج اولیه الکترون در حالت 1s.
(3- SEQ (3- * ARABIC 10)ᴪi(r,t)=ui(r)exp⁡(-iEiℏt)و ویژه تابع حالت نهایی الکترون به صورت زیر است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 11)ᴪf(r,t)=uf(r)⁡exp(-iEfℏt)گذار از حالت اولیه به حالت نهایی توسط میدان الکتریکی هسته القا می‌شود، که به وسیله ممان دوقطبی الکتریکی P که در راستای محور z و با فرکانس ω با زمان تغییر می‌کند توصیف می‌شود. پتانسیل الکتریکی این دو قطبی به صورت زیر است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 12)Vr,t=p0cosθr2cos ωt=p0cosθr212(eiωt+e-iωt)در اینجا θ زاویه بین r و محور z است. المان‌های ماتریسی گذارهای القا شده به این صورت است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 13)Mif=eᴪf*(r,t)Vᴪi(r,t)dτMif دارای بزرگی قابل توجهی است، فقط اگر
(3- SEQ (3- * ARABIC 14)Ei-EF=ℏω(3- SEQ (3- * ARABIC 15)uf=Ncos θkr12j32(kr)و برای kr بزرگ
(3- SEQ (3- * ARABIC 16)uf=-N cosθ2πk2r212coskrبا در نظر گرفتن سیستم در یک کره بسیار بزرگ به شعاع R می‌توانیم ویژه تابع آن را تعیین می‌کنیم.
(3- SEQ (3- * ARABIC 17)N=k(34R)1/2برای تابع موج اولیه، تابع موجی شبیه به تابع موج هیدروژن را در نظر می‌گیریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 18)ui=1π1/2(za0)3/2exp-zra0 with a0=ℏ2me2سپس المان ماتریسی به صورت زیر است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 19)Mif=p0cosωtek34R121π12za032×0∞exp-zra0 cosθr2 J32krkr12cosθdτ=p0cosωt(ωt)1/2ek(za0)3/2I
با
(3- SEQ (3- * ARABIC 20)I=0∞exp-zra0 J32krkr12drچگالی حالت‌های نهایی باید فقط به حالت‌های p محدود باشد. از شرط ufR=0، شرط کوانتیزیشن به صورت زیر است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 21)kR=(n+12)πو n عدد انتگرال گیری است. بنابراین در فاصله k تا ∆k داریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 22)R∆kπ=∆Nو از این معادله داریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 23)ρ=dNdE=Rℏπϑبا ترکیب معادلات (3- 19) و (3- 23) برای دو تا الکترون‌های K بدست می‌آوریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 24)λe=14πℏp02e2k23(za0)3I2ϑℏاز طرفی دیگر λγ با این معادله داده می‌شود:
(3- SEQ (3- * ARABIC 25)λγ=13p02ω3ℏc3با توجه به معادله (3-4) ضریب تبدیل داخلی به صورت زیر است:
(3- SEQ (3- * ARABIC 26)α=4πℏk2e2ϑ(za0)3c3ω3I2از a0z≫1k، این به این معنی است که انرژی گذار در مقایسه با انرژی بستگی الکترون خیلی بزرگ است. همچنین فرض می‌کنیم الکترون خارج شده نسبیتی نیست. برای سازگاری فرض می‌کنیم که برای الکترون mv22≅(ℏk)22m≅ℏω.
انتگرال I با در نظرگرفتن این فرض که e-zra0=1 و داریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 27)I=0∞J32krdrkr12=(2πk2)1/2با جایگذاری در معادله (3- SEQ (3- * ARABIC 28) و با در نظر گرفتن تقریب ذکر شده در بالا داریم:
(3- SEQ (3- * ARABIC 29)αk=8ℏe2m12(2ℏω)12za03c3ω3(3- SEQ (3- * ARABIC 30) =12z3(e2ℏc)4(2mc2ℏω)7/2این فرمول تحت فرضیه‌های ذکر شده برای تابش دوقطبی است، و برای تابش El، به صورت زیر بدست می‌آید:
(3- SEQ (3- * ARABIC 31)αkl=z3(e2ℏc)4ll+1(2mc2ℏω)l+(5/2)ضریب تبدیل داخلی α به عدد اتمی، اتمی که فرایند در آن رخ می‌دهد، انرژی گذار و چند قطبی بودن آن بستگی دارد. به طور کلی نتایج زیر برای چند قطبی‌های الکتریکی (E) و مغناطیسی (M) بدست می‌آید.
(3- SEQ (3- * ARABIC 32)αEL≅Z3n3LL+1e24πℏε0c42mec2EL+52(3- SEQ (3- * ARABIC 33)αML≅Z3n3e24πℏε0c42mec2EL+32در این روابط Z عدد اتمی مربوط به اتمی است که در آن تبدیل داخلی صورت گرفته است و n عدد کوانتومی اصلی تابع موج الکترون مقید است؛ عامل (Zn)3 ناشی از جمله ᴪi.e(0)2 است که در آهنگ تبدیل ظاهر می‌شود. عامل بی بعد e24πε0ℏc همان ثابت ساختار ریز با مقداری نزدیک به 137 / 1 است.
این نحوه برخورد با ضرایب تبدیل تقریبی است، زیرا الکترون را باید نسبیتی در نظر گرفت ( انرژی‌های گذار نوعاً از مرتبه 0.5 تا Mev1 هستند). اما همین معادلات تعدادی از خصوصیات ضرایب تبدیل را مشخص می‌کند.
1- این ضرایب متناسب با z3 افزایش می‌یابند، و در نتیجه فرایند تبدیل در هسته‌های سنگین مهم‌تر از هسته‌های سبک است.
2- ضریب تبدیل با افزایش انرژی گذار به سرعت کاهش می‌یابد.( برعکس، احتمال گسیل γ که با افزایش انرژی به سرعت افزایش می‌یابد.)
3- ضرایب تبدیل با افزایش مرتبه چند قطبی به سرعت افزایش می‌یابند. در حقیقت، برای مقادیر زیادتر L، گسیل الکترون تبدیل ممکن است بسیار محتمل‌تر از گسیل γ باشد.
4- ضرایب تبدیل برای پوسته‌های اتمی بالاتر ( 1n> ) متناسب با 1/n3 کاهش می‌یابد. بنابراین، برای گذار معین به تقریب می‌توان انتظار داشت αKαL≅8 باشد.
بنابراین انتظار داریم که در هسته‌های سنگین برای گذارهای کم انرژی و چند قطبی‌های مرتبه بالا با ضرایب تبدیل نسبتاً بزرگ پوسته K، و در سایر موارد( پوسته‌های اتمی بالاتر، انرژی‌های گذار بیشتر، هسته‌های سبک‌تر و چند قطبی‌های مرتبه پایین‌تر) با مقادیر کوچک‌تر روبرو شویم.
باید متذکر شد که ضرایب مربوط به گذارهای الکتریکی و مغناطیسی به طور قابل ملاحظه‌ای با هم تفاوت دارند؛ بنابراین با اندازه گیری α می‌توانیم پاریته نسبی حالات هسته‌ای را تعیین کنیم. در یک کاربرد دیگر هم استفاده از تبدیل داخلی مهم است، و آن مشاهده گذارهای E0 است که از طریق تابش الکترومغناطیسی ممنوع اند. گذار E0 مخصوصاً در واپاشی های از حالات اولیه 0+ به حالات نهایی 0+ که با هیچ فرایند مستقیم دیگری امکان پذیر نیست، حائز اهمیت است[16,15] .
البته باید توجه داشت که برای همه گذارها از حالت اولیه به حالت نهایی یک فرایند الکترومغناطیسی دیگر نیز امکان پذیر است که در آن هسته برانگیخته به شکل یک زوج الکترون- پوزیترون ظاهر می‌شود که به آن تولید زوج می‌گویند. اما احتمال این فرایند بسیار کم و از مرتبه 10-4 گسیل گاما است.
centercenterفصل چهارم
00فصل چهارم

4- مدل کوارکی و نگرشی جدید به فرایند تبدیل داخلی4-1- مقدمهدر مدل ساختار جمعی هسته‌ها، هسته مانند یک جسم واحد در نظر گرفته شده، مانند یک قطره مایع، بعضی از خواص هسته‌ها نیز بر اساس همین فرض استخراج شده است، که در فصل دوم به آن‌ها اشاره شد. از طرفی در مدل پوسته‌ای اجزاء تشکیل دهنده هسته‌ها یعنی پروتون‌ها و نوترون‌ها نیز در نظر گرفته شده است. این مدل با در نظر گرفتن برهم کنش هسته‌ای بین نوکلئونها در توجیه بعضی خواص هسته‌ای به خوبی موفق بوده است. مدل‌های هسته‌ای دیگری در طی سالیان اخیر، به منظور توصیف جنبه‌های متفاوت هسته‌ها، توسط گروه‌های متعددی ارائه شده است. مانند مدل آلفا- ذره‌ای هسته‌ای. یکی دیگر از این مدل‌ها، مدل شبه کوارکی است.
مدل شبه کوارکی علاوه بر اینکه پروتون‌ها و نوترون‌ها را در تشکیل هسته در نظر می‌گیرد، کوارکهای سازنده نوکلئونها را نیز در نظر می‌گیرد. با توجه به نزدیکی بسیار زیاد نوکلئونها در هسته‌ها، قطعاً کوارکهای سازنده آن‌ها نیروی شدیدی به همدیگر وارد می‌سازند، که باعث می‌شود نوکلئونها، به صورت لحظه‌ای هم که باشد، فروپاشیده شوند و سپس نوکلئونهای جدید تشکیل گردند. این پروسه می‌تواند مکرراً در هسته در حال اتفاق باشد. گرچه در این شرایط محیط هسته را نمی‌توان یک محیط با کوارکهای آزاد در نظر گرفت. با این حال فرض می‌شود که هسته را بتوان با تقریب یک محیط کوارکی در نظر گرفت که شدیداً با هم برهمکنش دارند. گرچه در این مدل نظریه واحدی که بتواند برخی از خواص هسته‌ها را یکجا ارائه دهد وجود ندارد، با این حال با استفاده از این مدل می‌توان اعداد جادویی هسته را بدست آورد. همچنین در این مدل فرمولی برای انرژی بستگی هسته‌ها ارائه شده که هم زمان هم کوارکهای سازنده هسته و هم نوکلئونهای سازنده هسته را در نظر گرفته است.
4-1-1- پلاسمای کوارک- گلئونی و سرچشمه اعداد جادوییدر فیزیک هسته‌ای یک عدد جادویی تعداد نوکلئونهایی ( پروتون‌ها و نوترون‌ها ) است که درون پوسته‌های کامل مربوط به هسته‌های اتمی قرار می‌گیرند. این اعداد و وجود آن‌ها اولین بار توسط السیسر در سال 1933 [17] مورد توجه قرار گرفته است. چیزی که باعث جادویی بودن این اعداد می‌شود، خواصی است که هسته‌ها با این تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها دارا می‌باشند. از جمله این خواص می‌توان به پایداری هسته‌های جادویی، فراوانی بیشتر هسته‌های جادویی در عالم و اینکه جرم هسته‌های جادویی از مقدار پیش بینی شده توسط فرمول نیمه تجربی جرم به طور قابل توجهی کمتر است، اشاره نمود.
در این مدل فرض بر این است که در محیط ترمودینامیکی پلاسمای کوارک- گلئونی، کوارکهای تقریباً مجزا سعی در تشکیل نوکلئونها دارند؛ و اگر بپذیریم که بیشینه بی نظمی و بیشترین مقدار ترکیب‌ها رخ می‌دهد، آنگاه با در نظر گرفتن سیستم‌های جداگانه‌ای شامل یک کوارک مرکزی و تعداد 2، 3، 4، 5، 6، 7 و نهایتاً 8 کوارک اطراف به حالت‌های بیشینه‌ای برابر با اعداد جادویی می‌رسیم [19,18]. اگر پلاسمای کوارک- گلئونی را به عنوان یک محیط ترمودینامیکی فرض نماییم، بایستی تحقیق نمود این محیط ترمودینامیکی که همانند هر محیط دیگر از این نوع به سمت بیشینه بی نظمی پیش می‌رود، چگونه به تعادل نزدیک می‌شود. حالت ترمودینامیکی از کوارکها را در نظر می‌گیریم که این کوارکها تقریباً آزادانه در حال حرکت می‌باشند. اگر دقیق‌تر به محیط پلاسمای کوارک- گلئونی نگاه کنیم، می‌بینیم که در سوپ کوارک- گلئونی آزادی محض وجود ندارد.

شکل(4- SEQ شکل(4- * ARABIC 1): محیط یک پلاسمای کوارک- گلئونی
در شکل (4-1) یک محیط پلاسمای کوارک- گلئونی فرضی رسم شده است، که کوارکها همانند ذرات یک گاز ایده آل در فضا پراکنده‌اند. در این محیط فرضی یک کوارک را در نظر بگیرید که جهت تشکیل یک پروتون یا نوترون تلاش می‌کند. هر کوارک با گیر انداختن دو کوارک دیگر تشکیل یک نوکلئون می‌دهد. در این فضای رقابتی میان کوارک ها حالات مختلفی از تشکیل یک نوکلئون می‌تواند روی دهد. به عنوان مثال به شکل پایین توجه کنید.

شکل(4- SEQ شکل(4- * ARABIC 2): شبکه مکعبی پلاسمای کوارک- گلئونیدر شکل (4-2) کوارکها همانند یک محیط شبکه‌ای در اطراف یکدیگر قرار دارند. کوارک u مرکزی برای تشکیل یک نوترون در حال تلاش است، و برای این امر باید دو کوارک d را گیر اندازد. اگر اینطور فرض کنیم که از تمام کوارکهای اطراف این کوارک u دو کوارک d باشد، آنگاه رقابت دو کوارک رقابت ساده‌ای است. در نگاه اول یک حالت ممکن بیشتر وجود ندارد و آن هم حالت udd است. در نگاه دقیق‌تر دو حالت وجود دارد، یعنی u قرمز به همراه d1 آبی و d2 سبز یا u قرمز به همراه d1 سبز و d2 آبی. پس دو حالت به دست می‌آید. حال شرایطی را در نظر بگیرید که سه کوارک d در اطراف کوارک u جهت گیوند با آن رقابت می‌کنند. در چنین شرایطی ترکیبات ممکن عبارتند از: ud1d2، ud1d3 و ud2d3. اگر رنگ کوارک ها را هم منظور کنیم 6 حالت ممکن به وجود می‌آید که از این 6 حالت با 2 حالت قبل روی هم 8 حالت را نشان می‌دهد. ذکر این نکته ضروری است که هر کدام از این حالت‌ها می‌تواند تشکیل نوکلئون بدهد ولی حداکثر حالاتی که می‌تواند با 3 کوارک اتفاق بیفتد 8 حالت است. مشابه حالت 3 کوارکی عدد به دست آمده برای حالت 4 کوارکی برابر 20 می‌باشد. با در نظر گرفتن 5 کوارک d اطراف کوارک مرکزی با استدلالی مشابه استدلال بالا 20 حالت جدید به دست خواهد آمد که با مجموع قبلی عدد 40 برای عدد جادویی بعدی بدست خواهد آمد، در حالی که عدد جادویی بعدی 28 خواهد بود. از آنجا که شرایط محیط کوارک – گلئونی بیشتر به یک سوپ کوارک- گلئونی شبیه است، مطابق تلاش‌های صورت گرفته در نظریه کرمودینامیک کوانتومی شبکه‌ای این امر تقریباً محرز است که نیروی جاذبه بین کوارکها کاملاً از بین نمی‌رود. بنابراین اگر هر کوارک d ( اطراف کوارک u مرکزی) را نزدیک به کوارکهای دیگر فرض کنیم، آنگاه به عنوان مثال اگر کوارک d2 توسط u جذب شود. ناگزیر کوارک پنجمی که بیشترین نیروی جاذبه با d2 را دارد و نام آن را d2َ می گذاریم، وارد کار می‌شود که آن را کوارک "تحمیل شده" می نامیم. پس هر 4 کوارک d هنگام جذب توسط کوارک u مرکزی می‌توانند کوارکی را در سطحی فراتر از کوارک های اولیه به واسطه فاصله نزدیک و یا اینکه بازنشدگی کامل از هم، به سیستم تحمیل نمایند، که این حالت جدید را چنین می نویسیم:
ud1d1َ , ud2َ , ud3d3َ , ud4d4َ
که به همراه رنگ‌های مختلف آن 8 حالت جدید به وجود می‌آید. این 8 حالت و 20 حالت قبل 28 حالت در اختیار ما می‌گذارد. این موضوع که توسط 4 کوارک d دو عدد مجزای 20 حالته و 28 حالته تولید شده است. به طور مشابه برای 5، 6 و 7 کوارک d اعداد 50، 82 و 126 و نهایتاً با 8 کوارک عدد 184 به دست می‌آید. شواهدی مبنی بر وجود چنین عدد جادویی وجود دارد [20]. کار با بیش از 8 کوارک مستلزم عبور از سطح اول به سطح دوم است (چون در یک شبکه مکعبی تنها 8 کوارک در یک فاصله برابر از کوارک مرکزی قرار دارند)، که این موضوع یعنی جاذبه‌ای که سطح اول و دوم را کاملاً تحت تأثیر قرار می‌دهد و حالت‌های اجباری و تحمیلی، سطح سوم را نیز ایجاد می‌نماید و یا می‌توان از شبکه‌های هندسی دیگری با بیش از 8 کوارک استفاده کرد.

4-1-2- انرژی بستگی هسته‌ها از دیدگاه مدل شبه کوارکیدر مدل پلاسمای کوارک- گلئونی ارائه شده [22,21] دیدگاه جدیدی برای هسته ارائه شده است. در این دیدگاه، هسته شامل پلاسمای سوپ مانند از کوارکها و گلئونها می‌باشد که می‌توان خواص هسته‌ها را با توجه به کوارکهای محتوی به جای نوکلئونها بدست آورد.
به منظور به دست آوردن انرژی بستگی هسته‌ای، با توجه به نگاه شبه کوارکی به نکات زیر توجه می‌کنیم:
1- برای تشکیل هسته‌ها باید انرژی بستگی مثبت باشد.
2- انرژی بستگی مثبت از مرتبه یک درصد انرژی جرم سکون کوارک های درون هسته mqc2 می‌باشد که q نشان دهنده کوارکهای بالا و پایین است.
3- در این مدل انرژی بستگی با حجم پلاسمای کوارک- گلئونی متناسب است. با توجه به اینکه هر نوکلئون از سه کوارک تشکیل شده است، لذا به ازای عدد جرمی A برای هسته، انرژی بستگی متناسب با A3 است.
4- با توجه به عدم تقارن بین تعداد پروتون‌ها و نوترون‌ها، به خصوص در هسته‌های سنگین و در نظر گرفتن نیروی کولنی می‌توان این عدم تقارن و تصحیح کولنی را مابین کوارکهای بالا و پایین موجود در پلاسمای کوارک- گلئونی درون هسته را به صورت N2-Z2Z در نظر گرفت.
با در نظر گرفتن نکات فوق فرمول زیر برای محاسبه انرژی بستگی هسته‌ها ارائه شده است.
(4- SEQ (4- * ARABIC 1)BA,Z=A-N2-Z2+δN-Z3Z+3×mNc2α A>5(4- SEQ (4- * ARABIC 2) δN-Z=1N=Z0N≠Zدر فرمول بالا α = 90 – 100 است.
در مقایسه با مدل قطره مایعی که شامل هفت جمله در انرژی بستگی می‌باشد، این مدل شامل دو جمله است که وابسته به Z و N است که حاکی از سادگی بیشتر و دید جامع‌تری نسبت به هسته است. در این مدل، ذرات هسته‌ای محتوایی آزاد در یک محیط پلاسما مانند چگالی بررسی می‌شود [24,23].
4-2- ضریب تبدیل داخلی بر اساس مدل کوارکی هسته‌هادر مدل شبه کوارکی، هسته شامل پلاسمایی سوپ مانند از کوارکها و گلئونها است که می‌توان خواص هسته‌ها را با توجه به کوارکهای محتوایی به جای نوکلئونها بدست آورد. در فرمول زیر با در نظر گرفتن کوارکهای سازنده نوکلئونها ضریب تبدیل داخلی را بررسی کرده‌ایم. در فرمول زیر شاخص L تابش را به گونه‌ای تعریف می‌کنیم که 2L مرتبه چند قطبی باشد ( برای دو قطبی L=1، برای چار قطبی L=2 و ....). با تخصیص E برای خواص الکتریکی و M برای خواص مغناطیسی فرمول ضریب تبدیل داخلی با توجه به نگاه شبه کوارکی به صورت زیر ارائه شده است.
با در نظر گرفتن پروتون‌ها ضریب تبدیل داخلی برای گذارهای الکتریکی:
(4- SEQ (4- * ARABIC 3)αEL≅Z3n3LL+1e24πℏε0c4((23)3+(23)3+(13)3) 2mec2EL+52و ضریب تبدیل داخلی برای گذارهای مغناطیسی به صورت زیر ارائه شده است
(4- SEQ (4- * ARABIC 4)αML≅Z3n3e24πℏε0c4((23)3+(23)3+(13)3) 2mec2EL+32و اگر علاوه بر پروتون‌ها نوترون‌ها را هم در تابش گاما موثر بدانیم [25]، فرمول‌های زیر به ترتیب برای گذارهای الکتریکی و مغناطیسی ارائه می‌شود:
(4- SEQ (4- * ARABIC 5)αEL≅Z3n3LL+1e24πℏε0c4(233+233+133+233+133+133) 2mec2EL+52≅Z3n3LL+1e24πℏε0c4 2mec2EL+52(4- SEQ (4- * ARABIC 6)
αML≅Z3n3e24πℏε0c4233+233+133+233+133+1332mec2EL+32≅Z3n3e24πℏε0c42mec2EL+32به منظور بررسی فرمول‌های ارائه شده ضریب تبدیل داخلی برای دوازده عدد اتمی، ده چند قطبی E1-E5 و M1-M5 و 8 مقدار انرژی گاما محاسبه و با مقادیر تئوری و تجربی مقایسه شده است [26].
در جدول‌های (4-1) تا (4-39)، ستون اول مقادیر آزمایشگاهی، ستون دوم مقادیر تئوری محاسبه شده با استفاده از فرمول ضریب تبدیل داخلی و ستون سوم، مقادیر محاسبه شده با در نظر گرفتن کوارکهای سازنده پروتون‌ها را نشان می‌دهند. با توجه به معادلات (4-5) و (4-6)، نتایج حاصل از در نظر گرفتن کوارکهای سازنده پروتون‌ها و نوترون‌ها در تابش گاما با مقادیر عددی ستون دوم برابر است.

جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 1): EB =5.50 E-02k shellz=3Eγ(Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 6.55 E-02 10.00 E-02 6.30 E-02
15 E2 5.65 E+00 9.08 E+00 5.72 E +00
E3 4.10 E+02 6.96 E+02 4.38 E+02
E4 2.83 E+04 5.06 E+04 3.18 E+04
E5 1.92 E+06 3.59 E+06 2.26 E+06
20 E1 2.48 E-02 3.65 E-02 2.30 E-02
E2 1.63 E+00 2.49 E+00 1.56 E+00
E3 8.99 E+01 14.36 E+01 9.04 E+01
E4 4.72 E+03 7.80 E+03 6.91 E+03
E5 2.43 E+05 4.15 E+05 2.61 E+05
32 E1 5.06 E-03 7.05 E-03 4.44 E-03
E2 2.12 E-01 3.00 E-01 1.90 E-01
E3 7.50 E+00 10.79 E+00 6.80 E+00
E4 2.52 E+02 3.67 E+02 2.31 E+02
E5 8.29 E+03 12.23 E+03 7.80 E+03
50 E1 1.11 E-03 1.47 E-03 0.92 E-03
E2 3.07 E-02 4.03 E-02 2.53 E-02
E3 7.12 E-01 9.27 E-01 5.84 E-01
E4 1.57 E+01 2.02 E+01 1.27 E+01
E5 3.39 E+02 4.30 E+02 2.70 E+02
80 E1 2.26 E-04 2.85 E-04 1.79 E-04
E2 4.03 E-03 4.86 E-03 3.08 E-03
E3 6.05 E-02 6.99 E-02 4.40 E-02
E4 8.64 E-01 9.52 E-01 7.00 E-01
E5 1.21 E+01 1.26 E+01 0.80 E+01
120 E1 5.77 E-05 6.90 E-05 4.37 E-05
E2 7.12 E-04 7.84 E-04 4.94 E-04
E3 7.42 E-03 7.51 E-03 4.73 E-03
E4 7.35 E-02 6.82 E-02 4.29 E-02
E5 7.12 E-01 6.05 E-01 3.89 E-01
200 E1 4.41 E-08 3.65 E-08 2.29 E-08
E2 6.99 E-08 2.48 E-07 1.56 E-07
E3 1.08 E-07 1.43 E-05 0.90 E-05
E4 1.66 E-07 0.78 E-05 0.50 E-05
E5 2.55 E-07 0.41 E-05 0.25 E-05
جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 2): EB =2.84 E-01k shellz=6Eγ(Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 4.38 E-01 8.00 E-01 5.04 E-01
15 E2 3.51 E+01 7.27 E+01 4.58 E+01
E3 2.36 E+03 5.57 E+03 3.50 E+03
E4 1.52 E+05 4.05 E+05 2.55 E+05
E5 9.63 E+06 28.74 E+06 14.47 E+06
20 E1 1.71 E-01 2.92 E-01 1.83 E-01
E2 1.05 E+01 1.99 E+01 1.25 E+01
E3 5.45 E+03 11.45 E+03 6.21 E+03
E4 2.69 E+04 6.24 E+04 3.93 E+04
E5 1.31 E+06 3.32 E+06 2.09 E+06
32 E1 3.62 E-02 5.64 E-02 3.55 E-02
E2 1.45 E+00 2.40 E+00 1.51 E+00
E3 4.87 E+01 8.63 E+01 5.43 E+01
E4 1.56 E+03 2.94 E+03 1.85 E+03
E5 4.90 E+04 9.78 E+04 6.16 E+04
50 E1 8.21 E-03 11.83 E-03 7.45 E-03
E2 2.18 E-01 3.22 E-01 2.02 E-01
E3 4.87 E+00 7.41 E+00 4.46 E+00
E4 1.03 E+02 1.61 E+02 1.01 E+02
E5 2.15 E+03 3.44 E+03 2.16 E+03
80 E1 1.71 E-03 2.28 E-03 1.43 E-03
E2 2.97 E-02 3.89 E-02 2.45 E-02
E3 4.33 E-01 5.59 E-01 3.52 E-01
E4 5.99 E+00 7.62 E+00 4.81 E+00
E5 8.13 E+01 10.14 E+01 6.81 E+01
120 E1 4.46 E-04 5.52 E-04 3.51 E-04
E2 5.38 E-03 6.27 E-03 4.01 E-03
E3 5.48 E-02 6.01 E-02 3.93 E-02
E4 5.24 E-01 5.46 E-01 3.50 E-01
E5 5.01 E+00 4.84 E+00 2.82 E+00
200 E1 8.43 E-05 9.24 E-05 5.92 E-05
E2 6.53 E-04 6.30 E-04 4.00 E-04
E3 4.30 E-03 3.62 E-03 2.38 E-03
E4 2.70 E-02 1.97 E-02 1.24 E-02
E5 1.65 E-01 1.05 E-01 0.66 E-01

جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 3): EB =8.67 E-01k shellz=10Eγ(Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 1.05 E+00 3.70 E+00 2.33 E+00
15 E2 1.11 E+02 3.36 E+02 2.11 E+02
E3 6.67 E+03 25.80 E+03 14.25 E+03
E4 3.83 E+05 18.75 E+05 11.02 E+05
E5 2.18 E+07 13.30 E+07 8.01 E+07
20 E1 6.24 E-01 13.53 E-01 8.42 E-01
E2 3.51 E+01 9.22 E+01 5.40 E+01
E3 1.65 E+03 5.30 E+03 3.15 E+03
E4 7.40 E+04 28.90 E+04 15.05 E+04
E5 3.29 E+06 15.38 E+06 8.60 E+06
32 E1 1.38 E-01 2.61 E-01 1.64 E-01
E2 5.17 E+00 11.12 E+00 6.89 E+00
E3 1.61 E+02 3.99 E+02 2.51 E+02
E4 4.81 E+03 13.69 E+03 8.42 E+03
E5 1.41 E+05 4.53 E+05 2.85 E+05
50 E1 3.26 E-02 5.47 E-02 3.66 E-02
E2 8.21 E-01 14.93 E-01 8.82.50 E01
E3 1.73 E+01 3.43 E+01 2.09 E+01
E4 3.47 E+02 7.48 E+02 4.58 E+02
E5 6.80 E+03 15.94 E+03 9.45 E+03
80 E1 7.02 E-03 10.57 E-03 6.65 E-03
E2 1.17 E-01 1.80 E-01 1.13 E-01
E3 1.63 E+00 2.58 E+00 1.62 E+00
E4 2.16 E+01 3.52 E+01 2.21 E+01
E5 2.81 E+02 4.69 E+02 2.59 E+02
120 E1 1.87 E-03 2.55 E-03 1.60 E-03
E2 2.19 E-02 2.90 E-02 1.85 E-02
E3 2.15 E-01 2.78 E-01 1.80 E-01
E4 2.01 E+00 2.52 E+00 1.60 E+00
E5 1.48 E+01 2.24 E+01 1.41 E+01
200 E1 3.63 E-04 4.28 E-04 2.75 E-04
E2 2.74 E-03 2.91 E-03 1.89 E-03
E3 1.76 E-02 1.67 E-02 1.10 E-02
E4 1.07 E-01 0.91 E-01 0.60 E-01
E5 6.42 E-01 4.86 E-01 3.19 E-01
جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 4): EB =1.83 E+00k shellz=14Eγ(Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 3.30 E+00 10.16 E+00 6.01 E+00
15 E2 2.09 E+02 9.23 E+02 5.67 E+02
E3 1.09 E+04 7.08 E+04 4.21 E+04
E4 9.49 E+05 51.45 E+05 32.01 E+05
E5 2.75 E+07 36.51 E+07 22.08 E+07
20 E1 1.30 E+00 3.71 E+00 2.33 E+00
E2 6.92 E+01 25.30 E+01 15.33 E+01
E3 2.91 E+03 14.55 E+03 9.16 E+03
E4 1.17 E+05 7.93 E+05 4.80 E+05
E5 4.70 E+06 42.21 E+06 26.34 E+06
32 E1 3.15 E-01 7.17 E-01 4.41 E-01
E2 1.09 E+01 3.53 E+01 2.22 E+01
E3 3.13 E+02 10.97 E+02 6.35 E+02
E4 8.64 E+03 37.37 E+03 12.96 E+03
E5 2.36 E+05 12.43 E+05 7.56 E+05
50 E1 7.65 E-02 15.03 E-02 9.40 E-02
E2 1.82 E+00 4.09 E+00 2.25 E+00
E3 3.60 E+01 9.42 E+01 5.67 E+01
E4 6.81 E+02 20.54 E+02 12.06 E+02
E5 1.27 E+04 4.37 E+04 2.75 E+04
80 E1 1.70 E-02 2.90 E-02 1.82 E-02
E2 2.71 E-01 4.94 E-01 3.08 E-01
E3 3.60 E+00 7.10 E+00 4.41 E+00
E4 4.50 E+01 9.68 E+01 6.06 E+01
E5 5.68 E+02 12.88 E+02 7.95 E+02
120 E1 4.63 E-03 7.02 E-03 4.42 E-03
E2 5.23 E-02 7.97 E-02 5.02 E-02
E3 4.94 E-01 7.63 E-01 4.80 E-01
E4 4.45 E+00 6.93 E+00 4.36 E+00
E5 3.93 E+01 6.15 E+01 3.88 E+01
200 E1 9.19 E-04 11.74 E-04 7.39 E-04
E2 6.77 E-03 8.00 E-03 5.04 E-03
E3 4.22 E-02 4.60 E-02 2.92 E-02
E4 2.51 E-01 2.50 E-01 1.57 E-01
E5 1.40 E+00 1.33 E+00 0.83 E+00
جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 5): EB =2.47 E+00k shellz=16Eγ(Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 4.37 E+00 15.17 E+00 9.13 E+00
15 E2 2.56 E+02 13.78 E+02 8.01 E+02
E3 1.24 E+04 10.56 E+02 6.30 E+02
E4 5.25 E+05 56.80 E+05 30.20 E+05
E5 2.67 E+07 34.51 E+07 21.07 E+07
20 E1 1.83 E+00 5.54 E+00 3.49 E+00
E2 8.73 E+01 37.70 E+01 21.68 E+01
E3 3.44 E+03 21.71 E+03 13.04 E+03
E4 1.31 E+05 11.83 E+05 6.93 E+05
E5 4.94 E+06 63.01 E+06 34.69 E+06
32 E1 4.29 E-01 10.70 E-01 6.34 E-01
E2 1.42 E+01 4.55 E+01 2.67 E+01
E3 3.92 E+02 16.37 E+02 10.00 E+02
E4 1.03 E+04 5.57 E+04 3.38 E+04
E5 2.70 E+05 18.55 E+05 11.34 E+05
50 E1 1.06 E-01 2.24 E-01 1.41 E-01
E2 2.44 E+00 6.11 E+00 3.84 E+00
E3 467 E+01 14.06 E+01 8.19 E+01
E4 8.55 E+02 30.66 E+02 17.64 E+02
E5 1.55 E+04 6.52 E+04 4.04 E+04
80 E1 2.38 E-02 4.33 E-02 2.72 E-02
E2 3.71 E-01 7.37 E-01 4.54 E-01
E3 4.81 E+00 10.60 E+00 6.31 E+00
E4 5.94 E+01 14.45 E+01 8.92 E+01
E5 7.24 E+02 19.23 E+02 12.11 E+02
120 E1 6.56 E-03 10.48 E-03 6.60 E-03
E2 7.27 E-02 11.90 E-02 7.49 E-02
E3 6.74 E-01 11.40 E-01 7.18 E-01
E4 5.95 E+00 10.39 E+00 6.73 E+00
E5 5.16 E+01 9.19 E+01 5.73 E+01
200 E1 1.32 E-03 1.75 E-03 1.10 E-03
E2 9.57 E-03 11.94 E-03 7.52 E-03
E3 5.89 E-02 6.86 E-02 4.32 E-02
E4 3.44 E-01 3.74 E-01 2.35 E-01
E5 1.98 E+00 1.99 E+00 1.25 E+00
جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 6): EB =4.03 E+00k shellz=20Eγ(Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 6.78 E+00 29.64 E+00 18.28 E+00
15 E2 3.35 E+02 26.92 E+02 16.38 E+02
E3 1.33 E+04 20.64 E+04 11.07 E+04
E4 5.12 E+05 15.001E+05 9.45 E+05
E5 1.98 E+07 10.60E+07 6.67 E+07
20 E1 2.90 E+00 10.83 E+00 6.82 E+00
E2 1.21 E+02 7.37 E+02 4.06 E+02
E3 4.13 E+03 42.42 E+03 26.46 E+03
E4 1.36 E+05 23.12 E+05 14.49 E+05
E5 4.46 E+06 123.07E+06 7.56 E+06
32 E1 7.05 E-01 20.90 E-01 12.60 E-01
E2 2.13 E+1 8.90 E+1 5.04 E+1
E3 5.31 E+02 31.98 E+02 19.53 E+02
E4 1.27 E+04 10.89 E+04 6.30 E+04
E5 3.02 E+05 36.24 E+05 22.68 E+05
50 E1 1.79 E-01 4.38 E-01 2.69 E-01
E2 3.85 E+00 11.94 E+00 6.93 E+00
E3 6.85 E+1 27.47 E+1 10.45 E+1
E4 1.17 E+03 5.98 E+03 3.71 E+03
E5 1.97 E+04 12.75 E+04 7.56 E+04
80 E1 4.13 E-02 8.46 E-02 5.06 E-02
E2 6.11 E-01 14.41 E-01 8.82 E-01
E3 7.51 E+00 20.71 E+00 12.40 E+00
E4 8.80 E+1 28.22 E+1 16.64 E+1
E5 1.02 E+03 3.75 E+03 2.36 E+03
120 E1 1.16 E-02 2.04 E-02 1.28 E-02
E2 1.23 E-01 2.32 E-01 1.40 E-01
E3 1.10 E+00 2.22 E+00 1.36 E+00
E4 9.29 E+00 20.23 E+00 12.06 E+00
E5 7.74 E+01 17.94 E+01 10.78E+01
200 E1 2.38 E-03 3.42 E-03 2.15 E-03
E2 1.68 E-02 2.33 E-02 1.46 E-02
E3 1.10 E-01 1.34 E-01 0.84 E-01
E4 5.67 E-01 7.31 E-01 4.60 E-01
E5 3.16 E+00 3.89 E+00 2.45 E+00
جدول (4- SEQ جدول_(4- * ARABIC 7): EB =4.96 E+00k shellz=22Eγ (Kev) EL α (exp) α (TE) α (QM)
E1 8.97 E+00 39.45 E+00 24.00 E+00
15 E2 3.59 E+02 35.84 E+02 22.05 E+02
E3 1.27 E+04 27.47 E+04 17.01 E+04
E4 4.34 E+05 199.67E+05 11.91 E+05
E5 1.49 E+07 141.71E+07 10.08 E+07
20 E1 3.50 E+00 14.41 E+00 8.82 E+00
E2 1.35 E+02 9.82 E+02 5.67 E+02
E3 4.22 E+03 56.46 E+03 35.02 E+03
E4 1.27 E+05 30.77 E+05 18.90 E+05
E5 3.86 E+06 163.81E+06 10.08 E+06
32 E1 8.63 E-01 27.82 E-01 17.01 E-01
E2 2.48 E+01 11.84 E+01 6.93 E+01
E3 5.83 E+02 42.56 E+02 26.46 E+02
E4 1.32 E+04 14.50 E+04 8.82 E+04
E5 2.38 E+05 48.24 E+05 30.24 E+05
50 E1 2.22 E-01 5.83 E-01 3.67 E-01
E2 4.60 E+00 15.90 E+00 8.86 E+00
E3 7.87 E+01 36.56 E+01 22.68 E+01
E4 1.29 E+03 7.97 E+03 4.43 E+03
E5 2.10 E+04 16.97 E+04 10.10 E+04
80 E1 5.18 E-02 11.26 E-02 6.93 E-02
E2 7.47 E-01 19.18 E-01 11.98 E-01
E3 8.91 E+00 27.56 E+00 17.01 E+00

user6-758

2-3 کُنشِ مرزی نظریه نسبیت عام27
2-4 ایزومتری و میدان‌های برداری کیلینگ28
2-5 جواب‌های نظریه نسبیت عام29
2-5-1 فضازمانِ آنتی دوسیته در بُعد30
2-5-2 حل استاتیک باردار بُعدی معادلات میدان اینشتین در حضور ثابت کیهان‌شناسی31


2-6 گرانش لاولاک: گسترش استاندارد نسبیت عام به ابعاد بالا32
2-7 کُنش مرزی در گرانش لاولاک مرتبه سوم36
2-8 روش کانترترم و رفع واگرایی در محاسبه کمیت‌های پایا37
فصل سوم42
نظریهی الکترودینامیک غیرخطی42
3-1 الکترودینامیک ماکسول43
3-1-1 جرم الکترومغناطیسی و مسئلهی واگرائی خودانرژی بارهای نقطهای45
3-1-2 اصل برهمنهی خطی در نظریه ماکسول47
3-2 نظریه الکترودینامیک غیرخطی48
3-2-1 معادلات میدان در نظریه الکترودینامیک غیرخطی51
3-2-2 محاسبه‌ی شدت میدان مطلق 55
3-2-3 معادلاتِ موج در نظریههای الکترودینامیک غیرخطی56
3-3 جمعبندی58
فصل چهارم60
ترمودینامیک سیاه‌چاله‌ها در گرانش لاولاک60
4-1 ترمودینامیک سیستمها در طبیعت61
4-2 ترمودینامیک سیاهچالهها64
4-3 ترمودینامیک سیاهچالهها در گرانش خمش مراتب بالا68
4-4 کمیتهای ترمودینامیکی70
4-4-1 بار الکتریکی70
4-4-2 پتانسیل الکتریکی71
4-4-2 سرعت زاویه‌ای71
فصل پنجم73
ترمودینامیک جوابهای گرانش لاولاک مرتبه سوم در حضور کلاسهای نمائی و لگاریتمی نظریه الکترودینامیک غیرخطی73
5-1 کُنش و معادلات میدان گرانش لاولاک مرتبه سوم در حضور میدانهای الکترومغناطیسی غیرخطی74
5-2 جوابهای سیاهچالههای باردار استاتیک در گرانش لاولاک مرتبه سوم در حضور شکلهای نمائی و لگاریتمی الکترودینامیک غیرخطی75
5-2-1 جوابهای باردار استاتیک 1+6 بُعدی79
5-2-2 معرفی جرمِ هندسی در گرانش لاولاک مرتبه سوم82
5-2-3 خصوصیات فضازمانِ جوابهای باردار استاتیک 1+6 بُعدی83
5-2-4 جوابهای سیاهچالههای باردار استاتیک بُعدی91
5-3 بررسی ترمودینامیک سیاهچالههای لاولاک مرتبه سوم در حضور میدانهای الکترومغناطیسی غیرخطی94
5-4 طبیعتِ پایداری سیاه‌چاله‌ها در آنسامبل‌های کانونی و کانونی بزرگ99
5-4-1 بررسی پایداری ترمودینامیکی سیاهچالههای باردار مجانباً تخت در آنسامبل کانونی100
5-4-2 بررسی پایداری ترمودینامیکی سیاهچالههای باردار مجانباً تخت در آنسامبل کانونی بزرگ105
5-5 لایههای سیاهِ چرخانِ باردار مجانباً در گرانش لاولاک مرتبه سوم در حضور شکلهای نمائی و لگاریتمی الکترودینامیک غیرخطی110
5-6 بررسی ترمودینامیک لایههای سیاه چرخانِ باردار مجانباً گرانشِ لاولاک مرتبه سوم در حضور میدانهای الکترومغناطیسی غیرخطی114
5-7 طبیعتِ پایداری لایههای سیاه در آنسامبل‌های کانونی و کانونی بزرگ120
5-7-1 بررسی پایداری ترمودینامیکی لایههای سیاه چرخانِ باردار مجانباً در آنسامبل کانونی120
5-7-2 بررسی پایداری ترمودینامیکی لایههای سیاه چرخانِ باردار مجانباً در آنسامبل کانونی بزرگ123
فصل ششم127
نتیجهگیری و پیشنهادات127
پیوست الف132
پیوست ب134
پیوست ج135
مراجع137

فهرست شکلها
شکل 1- SEQ شکل_1- * ARABIC 1: نظریه به عنوان نظریه مادر برای پنج نظریه اَبرریسمان 10 بُعدی و نظریه اَبرگرانش 11 بُعدی ............................................................................................................................................................................................................. 8
شکل 2-1: شکل سمت چپ تقسیم فضای فیزیکی به صفحاتِ زمان ثابت در چارچوبِ 4 مختصهای فضا و زمان در نظریه نیوتن. یک نقطه در این چارچوب یک رویداد نامیده میشود و مسیر یک ذره در فضا و زمان توسط پیوستاری یک بُعدی از رویدادها، تحت عنوان جهانخط، مشخص میشود. شکل سمت راست لایه‌بندی فضازمان در نظریه نسبیت خاص را نشان میدهد ................................................................... .................................................................................19
شکل 2-2: دستگاه مختصات یک نگاشت از خمینه به فضای اقلیدسی است ..................................................................22
شکل 2-3: یک تبدیل مختصات بین دو مجموعه مختصات ...................................................................................23
شکل 3-1: تغییرات بر حسب. شکل سمت چپ به ازای مقادیر و . شکل میانی به ازای مقادیر و ؛ دیده میشود که با افزایش سه مدل در فاصلهی مکانی خیلی کوچک برهم منطبق میشوند. شکل سمت راست رفتار در نزدیکی مبدأ به ازای مقادیر و را نشان میدهد ....................................55
شکل 5-1: مقایسه رفتار تابعهای متریک (لگاریتمی، نمائی و ماکسولی) برای فضازمانهای مجانباً تخت . به ازای مقادیر ............................................................................................................86
شکل 5-2: مقایسه رفتار تابعهای متریک (لگاریتمی، نمائی و ماکسولی) برای فضازمانهای مجانباً. به ازای مقادیر .................................................................................................86
شکل 5-3: تغییرات تابع متریک نسبت به برای کلاسهای (شکل مشکی رنگ) و (شکل آبی رنگ) برای حالتهای متفاوت پارامترِ جرم. به ازای مجموعه مقادیر............................................................................................................................................................................................................88
شکل 5-4: تغییرات تابع متریک نسبت به برای کلاسهای(شکل مشکی رنگ) و (شکل آبی رنگ) به ازای مقادیر،، و . در شکل خطوط باریک مربوط به حالت (سیاهچاله با یک اُفق)، خطوط پررنگ مربوط به حالت (سیاهچاله با دو اُفق)، خطوط نقطهای مربوط به حالت (سیاهچاله با اُفق اکستریم) و خطوط خط-نقطهای مربوط به حالت (تکینگی عریان) هستند...............................................................................................................................................................................................90
شکل 5-5: برای کلاس- تغییرات دما بر حسب (شکل سمت چپ) و تغییرات دما بر حسب (شکل سمت راست). به ازای مقادیر ........................................................................................................................102
شکل 5-6: برای کلاس- تغییرات ظرفیت گرمایی بر حسب. شکل سمت چپ تغییرات در دامنههای کوچک را نشان میدهد. شکل سمت راست تغییرات در مقادیر بزرگتر را نشان میدهد. به ازای مقادیر .............................................................................................................................................................................103
شکل 5-7: برای کلاس- تغییرات دما بر حسب (شکل سمت چپ) و تغییرات دما بر حسب (شکل سمت راست). به ازای مقادیر ......................................................................................................................104
شکل 5-8: برای کلاس- تغییرات ظرفیت گرمایی بر حسب. به ازای مقادیر ........................................................................................................................................................................................................104
شکل 5-9: برای کلاس- از چپ به راست به ترتیب تغییرات جرم، دما، ظرفیت گرمایی و دترمینان ماتریس هسیان (در آنسامبل کانونی بزرگ) بر حسب. به ازای مقادیر .........................................................................................................................................................................................................107
شکل 5-10: برای کلاس- از چپ به راست به ترتیب تغییرات جرم، دما، ظرفیت گرمایی و دترمینان ماتریس هسیان (در آنسامبل کانونی بزرگ) بر حسب. به ازای مقادیر .........................................................................................................................................................................................................108
شکل 5-11: برای کلاس- از چپ به راست به ترتیب تغییرات جرم، دما و ظرفیت گرمایی بر حسب. به ازای مقادیر .........................................................................................................................122
شکل 5-12: : برای کلاس- از چپ به راست به ترتیب تغییرات جرم، دما و ظرفیت گرمایی بر حسب. به ازای مقادیر ...........................................................................................................................122
شکل 5-13: تغییرات دترمینان ماتریس هسیان در آنسامبل کانونی بزرگ . شکل سمت چپ مربوط به کلاس و شکل سمت راست برای کلاس. به ازای مقادیر .........................................................................................................................................................................................................124

فصل اولمقدمه1-1 قراردادِ یکاییبرای کاربردهای بعدی، ابتدا مشخص می‌کنیم که در چه یکایی از یکاهای فیزیکی کار می‌کنیم. در این پایان‌نامه از واحدهای طبیعی استفاده می‌کنیم به جز مواردی که خلاف آن ذکر شود. در واحدی که کار میکنیم ثانیه به طور دقیق برابر است با متر. بنابراین برای سرعت نور خواهیم داشت و برای گذردهی الکتریکی و تراویی مغناطیسی خلأ مقدار را اختیار می‌کنیم. در نتیجه ثابت کولن برابر به دست می‌آید. علاوه بر این برای ثابت پلانک و ثابت بولتزمن نیز مقدار واحد را انتخاب می‌کنیم:

بنابراین در واحدهای طبیعی داریم:

و برای سادگی انتخاب می‌کنیم:

بنابراین با مختصر نویسی داریم . از آن‌جایی که کُنشِ، بنا به تعریف، انتگرالِ زمانی یک لاگرانژین (با واحدِ انرژی) است بنابراین تمام کُنش‌ها بدون بُعد خواهند بود یعنی . در نتیجه برای عنصرِ حجم خواهیم داشت:

و برای داشتن یک کُنش بدون بُعد لازم است که چگالی لاگرانژی دارای یکای

باشد. برای مثال با این تحلیل پارامتر غیرخطی در فصل سوم (نظریه الکترودینامیک غیرخطی) دارای یکای جرم خواهد بود.
ثابتِ گرانشِ اینشتین ، که در معادلاتِ میدانِ اینشتین ظاهر می‌شود، برحسبِ ثابتِ گرانش نیوتن در چهار بُعد فضازمانی به صورت

است و آن را نیز، در هر بُعدی از فضازمان، برابر با واحد انتخاب می‌کنیم. ثابت گرانش نیوتن در ابعاد بالا به صورتِ زیر در می‌آید

و بنابراین ثابتِ گرانشِ اینشتین در هر بُعد برحسب ثابتِ گرانشِ نیوتن در همان بُعد نوشته می‌شود که مقدار آن، همان‌طور که ذکر شد، برابر واحد اختیار می‌شود.
1-2 معرفی مفاهیم ارجاعی: ذرات نقطه‌ای، ریسمان‌ها و لایه‌ها
بنیادی‌ترین ذرات در طبیعت به صورت ذراتِ نقطه‌ای فرض می‌شوند زیرا بدون ساختارند و نمی‌توان برای آن‌ها بُعدی در نظر گرفت. یک نقطه در فضایبُعدی، بدون بُعد است. می‌توان ذره‌ی نقطه‌ای را درون یک فضازمان بُعدی (که بُعد اضافی زمان است) توصیف کرد. با وجودِ مفهوم زمان، حرکت برای ذره‌ی نقطه‌ای معنی پیدا می‌کند. حرکت ذره در فضازمان بُعدی یک خط 1+0 بُعدی است، یعنی بدون بُعد مکانی. به این موجود 1 بُعدی جهان‌خط می‌گوییم. با گسترش نظری ایده‌ی ذره به ریسمان، به‌عنوان مولدهای احتمالی ذرات بنیادی و رد ایده‌ی نقطه‌ای بودن آن‌ها، می‌توان برای ریسمان‌ها در فضازمان بُعدی یک جهان‌سطح 1+1 بُعدی در نظر گرفت. بنابراین فضازمانی که یک ریسمان تجربه می‌کند یک جهان‌صفحه است. بر اساس نظریه ریسمان اجزای تشکیل دهنده‌ی ماده، نه ذرات، بلکه ریسمان‌ها هستند. مطابق با این دیدگاه یک الکترون در حقیقت ریسمانی‌ست دارای ارتعاش و چرخش، اما در مقیاسی بسیار کوچک، بنابراین در مقیاس انرژی شتاب‌دهنده‌های امروزی به صورت ذره احساس می‌شوند. این نظریه برای تکامل به لایه‌ها احتیاج دارد. لایه‌ها گسترش ایده‌ی ریسمان‌ها هستند و برخلاف ریسمان‌ها اشیائی چند-بُعدی هستند. لایه شئ‌ای شبیه ریسمان اما با ابعاد دلخواه است. ریسمان را می‌توان یک لایه در نظر گرفت. ذره‌ی نقطه‌ای لایه است. یک پوسته که در هر لحظه از زمان به شکل یک رویه باشد یک لایه است و به همین ترتیب لایه، لایه، لایه (دو نوع)، لایه الی لایه را داریم. این لایه‌ها می‌توانند کل فضای حجمی یک فضازمان را پر کنند. نوع خاصی از لایه‌ها تحت عنوان لایه‌ها وجود دارند که می‌توانند در فضازمان‌های با ابعاد بالا غوطه‌ور باشند و نقش شرایط مرزی دیریکله را در نظریه اَبرریسمان بازی کنند. لایه‌ها ذرات نقطه‌ای هستند. لایه‌ها مشابه ریسمان‌ها و اشیائی یک بُعدی هستند. دو انتهای آن‌ها می‌تواند بر روی هم قرار گرفته و تشکیل یک حلقه دهند و همانند ریسمان‌ها می‌توانند در تمامی جهات حرکت کنند. به همین دلیل می‌توانند ارتعاش داشته باشند و دارای نوسانات کوانتومی هستند. لایه شئ گسترده شده در بُعد فضایی است و بنابراین در ادامه‌ی امتداد ایده‌ی جهان‌خط و جهان‌صفحه می‌توان برای آن‌ها جهان‌حجم‌هایی بُعدی در نظر گرفت. این‌ها تعمیم ذره‌ی نقطه‌ای بدون ساختار داخلی به ابعاد بالا هستند. ویژگی بارز آن‌ها این است که مکان‌هایی در فضا هستند که انتهای ریسمان‌ها بر روی آن‌ها قرار می‌گیرد.لایه‌ها دارای جرم مشخصی هستند و با استفاده از این واقعیت که انتهای ریسمان‌ها می‌تواند بر روی آن‌ها قرار گیرد می‌توان جرم‌شان را حساب کرد. با ضعیف‌تر شدن اندرکُنش ریسمان‌ها جرم لایه افزایش می‌یابد. در مطالعه‌ی جهان‌صفحه‌ی ریسمان‌ها از فرض ضعیف بودن اندرکنش ریسمان‌ها استفاده می‌شود. در نتیجه لایه‌ها اجسام بسیار سنگینی هستند به گونه‌ای که حرکت دادن آن‌ها بسیار دشوار بوده و از این لحاظ به سختی می‌توان آن‌ها را اشیائی پویا در نظریه ریسمان محسوب کرد. دلیل اصلی شکل‌گیری انقلابِ مربوط به ورود لایه‌ها به حوزه‌ی فیزیک نظری، اَبرگرانش 11-بُعدی است. این نظریه بر پایه‌ی دو ایده شکل گرفت: اَبَرتقارن و نسبیت عام. این نظریه با نظریه‌های اَبرگرانشی مستخرج از نظریه‌ی ریسمان نیز مرتبط است و نظریه‌پردازان از این ارتباط، قبل از انقلاب دوم ریسمان به خوبی آگاه بودند. اما ارتباط آن با جهان‌صفحه نظریه ریسمان ناشناخته بود. بدتر از همه این‌که این نظریه هیچ همگونی با مکانیک کوانتومی نداشت. به همین دلیل نظریه‌پردازان ریسمان با تردید به آن نگاه می‌کردند، زیرا بر این باور بودند که مکانیک کوانتومی و گرانش کاملاً به یک‌دیگر وابسته هستند. با گسترش یافتن این ایده‌ها بین نظریه‌پردازان طی چند سال، مسیر این نظریه در اواسط دهه‌ی 90 به ناگاه عوض شد. با این‌که هنوز هم ریسمان‌ها اشیائی مهم به شمار می‌رفتند اما وجود لایه‌ها با ابعاد مختلف در این نظریه ضروری به نظر می‌رسید و گاه در بعضی موارد حتی دارای اهمیتی به اندازه خود ریسمان‌ها بودند. در مواردی هم لایه‌ها به عنوان سیاه‌چاله‌های دمای صفر توصیف می‌شدند.
فرض اولیه در نظریه ریسمان این است که ذرات اشیائی نقطه‌گونه نیستند بلکه مدهای نوسانی از ریسمان‌ها هستند. ریسمان‌ها بی‌نهایت باریک هستند و بر اساس فرضیات نظریه ریسمان دارای طولی بسیار کوچک در حدود هستند [1,4]. جرم کل ریسمان به سه بخش تقسیم می‌شود:
جرم سکون ریسمان که بین دو لایه قرار گرفته است.
انرژی ارتعاشی مربوط به هر مُد ثانویه ریسمان، که از طریق رابطه‌ی این انرژی به عنوان جرم تعبیر می‌شود.
نوسانات کمینه مربوط به عدم قطعیت کوانتومی (تحت عنوانِ انرژی نقطه صفر کوانتومی).
برخلاف انرژی نوسانی، سهم مربوط به انرژی نقطه‌ی صفر قابل حذف نیست. سهم انرژی نقطه صفر در جرم مقداری منفی است. تمام اثرات مربوط به جرم سکون، انرژی‌های ارتعاشی و انرژی نقطه صفر جمع می‌شوند تا مجذور جرم کل حاصل شود و اگر انرژی نقطه صفر بر بقیه‌ی سهم‌ها چیره شود این مجذور جرم است که منفی می‌شود. یک ریسمان نسبیتی در پایین‌ترین حالت انرژی کوانتومی خود دارای جرم منفی است. ریسمان در این حالت تاکیون نامیده می‌شود. دیدگاه کنونی در مورد تاکیون‌ها این‌ست که آن‌ها نشانه‌ی بی‌ثباتی نظریه هستند. انرژی نوسانی سبب کاهش اثر منفی نوسانات کوانتومی در جرم می‌شود. در نتیجه کوچک‌ترین افزایش در سهم انرژی نوسانی مجاز، بر اساس مکانیک کوانتومی، سبب می‌شود مجذور جرم کل صفر شود که نتیجهای رضایتبخش است. زیرا ذرات بدون جرم مانند فوتون، و تا‌به‌حال از لحاظ نظری گراویتون، در طبیعت وجود دارند. کم‌ترین مقدار انرژی حاصل از نوسانات، ارتباطی به ابعاد فضا ندارند. اما نوسانات کوانتومی نقطه صفر این‌گونه نیستند. وقتی چیزی نوسان می‌کند، به عنوان مثال راستای ارتعاش ریسمان پیانو، دارای راستای معینی برای مثال به سمت بالا و پایین است. اما نوسانات کوانتومی ممکن در تمامی جهات رخ می‌دهد. هر بُعد جدیدی که تعریف شود، راستای جدیدی را در اختیار نوسانات کوانتومی جهت ارتعاش قرار می‌دهد. راستای بیشتر به معنای نوسانات نقطه‌ی صفر بیشتر و در نتیجه سهم منفی بیشتر است. آن‌چه باقی می‌ماند، توضیح نحوه‌ی برقراری تعادل بین نوسانات ریسمان و نوسانات اجتناب‌ناپذیر کوانتومی نقطه صفر است. نظریه‌پردازان ریسمان با محاسبه دریافته‌اند که کمینه‌ی ابعاد لازم، جهت حذف اثر نوسانات کوانتومی توسط نوسانات ریسمان، 1+25 بُعد است که منجر به ایجاد حالات ریسمانی بدون جرم می‌شود که مطلوب ماست. در مقیاس‌های فاصله‌ای بزرگ‌تر از طول ریسمان‌ها، هر مد نوسانی منطبق بر ذراتی متفاوت است که با خواصی هم‌چون جرم، بار و ویژگی‌های دیگری که توسط دینامیک ریسمان‌ها تعیین می‌شود. شکاف و ترکیب ریسمان‌ها متناظر است با انتشار و جذبِ ذرات که به معنی برهم‌کُنش بین ذرات است و بنابراین سازوکار انواع نیروها در بنیادی‌ترین سطح فیزیک، با فرض وجودِ احتمالی ابعاد اضافی، توصیف می‌شود.
در نظریه ریسمان یکی از مدهای نوسانی ریسمان‌ها متناظر با یک ذره‌ی بدون جرم با اسپین 2 (همان گراویتون پیش‌بینی شده در نسبیت عام) است و بنابراین این ذره مسئول نیروی گرانشی خواهد بود. در نتیجه نظریه ریسمان یک نظریه مکانیک کوانتومی خودسازگار ریاضیاتی‌ست، که وجود گراویتون به عنوان یکی از محصولات این نظریه در آن ایجاب می‌کند که آن را به عنوان نظریه گرانش کوانتومی احتمالی به حساب آوریم. نظریه ریسمان شامل دو گونه ریسمان، ریسمان‌های باز و ریسمان‌های بسته، است. این دو نوع ریسمان ذرات متفاوتی را در بر می‌گیرند. برای مثال تمام نظریه‌های ریسمان شامل ریسمان‌های بسته‌ای با مد نوسانی گراویتون هستند، درحالی‌که فقط ریسمان‌های باز می‌توانند متناظر با ذراتی چون فوتون‌ها باشند. دلیل این امر آن است که دو انتهای ریسمان‌های باز همیشه می‌توانند به یکدیگر متصل شوند و یک ریسمان بسته تشکیل دهند بنابراین تمامی این نظریه‌ها شامل گراویتون نیز می‌شوند و گرانش به صورت طبیعی ظاهر می‌شود. در نتیجه‌ی بررسی این‌که "چطور می‌توان یک نظریه ریسمان شامل فرمیون‌ها داشت" اَبرتقارن، به عنوان ارتباطی ریاضی بین بوزون‌ها و فرمیون‌ها، ابداع شد. نظریه‌های ریسمان شامل ارتعاشات فرمیونی تحت عنوان نظریه‌های اَبرریسمان شناخته می‌شوند. انواع متفاوتی از نظریه‌های اَبرریسمان وجود دارند که به عنوان حدهای متفاوت یک نظریه مادر، تحت عنوان نظریه، شناخته می‌شوند.

شکل 1- SEQ شکل_1- * ARABIC 2 نظریه به عنوان نظریه مادر برای پنج نظریه اَبرریسمان 10 بُعدی و نظریه اَبرگرانش 11 بُعدی
از آن‌جایی که نظریه اَبرریسمان تمامی سازوکارهای بنیادی طبیعت را شامل می‌شود بسیاری از فیزیک‌دانان معتقدند که مناسب‌ترین کاندید برای نظریه‌ی همه چیز احتمالی‌ست. نظریه اَبرریسمان در کنار اَبرتقارن، که فرض می‌کند به ازای هر ذره‌ی بوزونی یک ذره‌ی فرمیونی وجود دارد، تعداد ابعاد نظریه را به 1+9 بُعد کاهش می‌دهد. در حال حاضر پنج نظریه‌ی اَبرریسمانِ نوع ، نوع ، نوع ، نوع و نوع وجود دارند که می‌توانند توصیف‌گر طبیعت باشند. برای مثال نظریه‌های اَبرریسمان نوع دارای لایه‌های با شماره‌های زوج است: ، ، ، و هم‌چنین لایه‌های سالیتونی و اشیای پیچیده دیگر. در مقابل مدل دارایلایه‌هایی با شماره‌های فرد است: ، ، ،لایه‌های سالیتونی و تعدادی لایه‌های دیگر که بسیار پیچیده‌اند. یک شبکه پیوسته از دوگانگی‌ها در نظریه ریسمان وجود دارد به طوری که با شروع از یک لایه دلخواه و اِعمال چند دوگانگی و تغییر شکل ناشی از آن‌ها به نوع دیگری از لایه دست می‌یابیم. در واقع بین نظریه‌های اَبرریسمان به ظاهر متفاوت می‌توان ارتباط برقرار کرد. دوگانگی نوعِ مقیاس‌های فاصله‌ای بلند و کوتاه در نظریه‌های اَبرریسمان را به هم مرتبط می‌سازد، در حالی‌که دوگانگی نوعِ شدت جفت‌شدگی‌های قوی و ضعیف را در نظریه‌ها به هم مربوط می‌سازد. دوگانگی نوعِ نیز دوگانگی‌های و را به یک‌دیگر مربوط می‌سازد. برای مثال دوگانگی نوعِ می‌تواند نظریه‌های اَبرریسمان مدل و را به هم مربوط سازد. اگر یک لایه را تماماً به دور بُعد دایروی شکل بپیچانیم از دید ناظری فاقد دستگاهی جهت تشخیص ابعاد دقیق بُعد دایره‌ای شکل،لایه را به شکل یک نقطه‌ی بی‌بُعد می‌بیند: یکلایه. بنابراین اگر یکی از 10 بُعد موجود در مدل را تا کرده و به شکل دایره در آوریم، و اگر این دایره آن‌قدر کوچک باشد که نتوان آن را مشاهده کرد، در این حالت نظریه ریسمان 9 بُعدی به نظر می‌رسد. در جهان 9 بُعدی جدیدی که بدین شکل ساخته می‌شود دیگر نمی‌توان تفاوتی میان مدل‌های و قائل شد. می‌توان این فشرده‌سازی برای سایر ابعاد را نیز ادامه داد و به 1+3 بُعد فیزیکی رسید. در نظریه ریسمان ابعاد اضافی از نوع ابعاد فشرده هستند. به منظور درک ابعاد فشرده، برای نمونه می‌توان یک استوانه بینهایت دراز دو بعدی را در نظر گرفت. موجودی که روی این سطح در راستای طولی استوانه حرکت می‌کند به جای خود باز نمی‌گردد، اما در عوض اگر به سمت چپ یا راست حرکت عرضی کند به جای اول خود باز می‌گردد. به بُعدی که در راستای طولی استوانه است بُعد نافشرده و به بُعد عرضی استوانه بُعد فشرده می‌گوییم. در پارادایم فکری نظریه ریسمان، ابعاد بالا از نوع بُعد فشرده هستند. اگر بُعد عرضی این استوانه مانند یک نخ بسیار باریک باشد برای ما یک رویه‌ی یک بُعدی (خط) خواهد بود. یک فضای دو بُعدی فشرده مانند کره نیز می‌توانیم داشته باشیم و با گسترش منطق ریاضی می‌توان اَبرکره کاملاً فشرده در ابعاد بالا داشت. این موضوع که "آیا ابعاد اضافی به خودی‌خود در ارتباط احتمالی بین نظریه‌های فیزیکی در ابعاد بالا (به ویژه نظریه اَبرریسمان) با جهان واقعی نقشی دارند یا نه"، هنوز واضح نیست، در واقع بسیار مبهم و پیچیده است.
1-3 انگیزه، هدف و ساختار تحقیقرفتار قوانینِ طبیعت تاکنون در چهار نیروی بنیادی خلاصه شده است: گرانش، الکترومغناطیس، نیروی ضعیف و نیروی قوی. در مکانیک کلاسیک یا دیدگاه کلاسیکی فیزیک، قوانینی برای پدیدههای طبیعت نوشته شده است که توصیف کنندهی رفتار آن پدیدهها هست ولی چیزی دربارهی ماهیت و سازوکار این رفتار نمیگوید. برای مثال قانون پایستگی انرژی و قانون گرانشی نیوتن. در اینجا میتوان با روابط ریاضی مربوط به این قوانین کار کرد، کمیات را در آنها قرار داد و به یک نتیجه و رفتار رسید. فیزیک مدرن به سطح عمیقتر پدیدهها نگاه میکند، برای مثال با گلوئونها سازوکار برهمکُنش قوی را توضیح میدهند، بوزونهای و را مسئول نیروها در برهمکُنش ضعیف میدانند و فوتونها مسئولیت برهمکُنشهای الکترومغناطیسی را بر عهده دارند. اما تاکنون هیچ چیز و سازوکاری پیدا نشده است که ماهیت گرانش را توضیح دهد. یعنی هیچ توضیح رضایتبخشی برای گرانش بر حسب نیروهای دیگر یا ذرات بنیادی وجود ندارد. تنها توصیفی که تاکنون توانسته است سازوکار گرانش را توسطِ اجزایی بنیادی توضیح دهد نظریه‌ی بحث‌برانگیز ریسمان است که حیاتش منوط به وجودِ ابعادِ اضافی در فضازمان است [1].
از دید یک نظریه ریسمان، رفتار هندسی فضازمانِ توصیف شده توسط نظریه نسبیت عام حد کلاسیکی یک نظریه گرانش کوانتومی‌ست که به واسطه‌ی مقیاس‌های عظیم انرژی از دنیای ماکروسکوپیک ما جدا شده است، و این رفتار به عنوان تجلی‌ای از خمشِ فضازمان توسط ما درک می‌شود. بنابراین با کارکردن در پارادایم میدان‌های کلاسیکی گرانشی در ابعاد بالا می‌توانیم به رفتارهای حدی نظریه‌های منتج‌شده از ریسمان دست پیدا کنیم. در نتیجه با محدود کردن خود در پارادایم میدان‌های کلاسیکی گرانشی در ابعاد بالا، در حضور خمش مراتب بالا، انتظار می‌رود ویژگی‌هایی از جمله "انواع فضازمان‌های مشابه جواب‌های نظریه نسبیت عام (گسترش یافته شده به ابعاد بالا)" ، "وجود تکینگی در فضازمان" و "اُفق رویداد"، دوباره ولی با پیچیدگی‌های بیشتر، ظهور کنند. در این بین می‌توان از یک نظریه گرانشی خمش مراتب بالا بدون فرضِ اَبرتقارن استفاده کرد. این نظریه گرانشی در ابعاد بالا می‌تواند، به منظور داشتن ویژگی‌های نظریه نسبیت عام، گسترش استاندارد نظریه نسبیت عام در ابعاد بالا باشد. در این بین حل‌های سیاه‌چاله‌ای گرانش در ابعاد بالا می‌تواند نقش مهمی را در ارتباط بین گرانش و اَبرریسمان (کاندیدای نظریه گرانش کوانتومی احتمالی) ایفا کند. در اولین قدم، سیاه‌چاله‌ها به عنوان سیستم‌هایی که می‌توان آن‌ها را به صورت نیمه کلاسیکی، یعنی با لحاظ کردن بعضی ملاحظات کوانتومی، در نظر گرفت می‌توانند مهم‌ترین نقش را ایجاد ارتباطِ هم‌زمانِ مفاهیمی هم‌چون خمش مراتبِ بالا، گرانش کوانتومی، ابعاد بالا و ترمودینامیک سیاه‌چاله‌ها داشته باشند. از سوی دیگر از طریق مطالعهی لایهها در نظریه ریسمان است [2,4] که کُنشی غیرخطی برای میدان‌های الکترومغناطیسی از نوع کُنش بورن-اینفلد، که قبلاً به طور مستقل برای تعمیم کلاسیکی نظریه الکترومغناطیس ماکسول پیشنهاد شده بود، پیدا می‌شود [4]. این لایه‌های چند بُعدی از یک دینامیک غیرخطی برای میدانهای الکترومغناطیسی مانند الکترودینامیک نظریه بورن-اینفلد تبعیت میکنند. همانند سیاه‌چاله‌ها، مفهومی تحت عنوان لایه‌های سیاه را می‌توان وارد حوزه‌ی نظری بررسی‌ها کرد، که نام لایه‌ی سیاه اشاره به اُفق‌های توپولوژیکی با شکل‌های کاملاً منحصربه‌فرد دارد. لایه‌های سیاه همانند سیاه‌چاله‌ها نقشی کلیدی در درکِ مفاهیمی هم‌چون خمش مراتب بالا، گرانش کوانتومی، ابعاد بالا و ترمودینامیکِ اُفق‌شان دارند. بنابراین انگیزه‌های لازم برای یافتن جواب‌های نظریه گرانش خمش مراتب بالا در حضور یک دینامیک غیرخطی از میدان‌های الکترومغناطیسی به دست می‌آید.
در حال حاضر باور عمومی فیزیک‌دانان بر این است که نظریه‌ی گرانشی اینشتین حد انرژی‌های پایین یک نظریه‌ی گرانش کوانتومی است. بنابراین صرف‌نظر از طبیعت بنیادی گرانش کوانتومی، باید یک کُنش مؤثر در انرژی‌های پایین وجود داشته باشد که گرانش را در سطحی کلاسیکی توصیف کند. این کُنش مؤثر شامل کُنش اینشتین-هیلبرت به علاوه‌ی جملات خمش مراتب بالا می‌شود. ظهور جملات خمش مراتب بالا در بازبهنجارش نظریه میدان‌های کوانتومی در فضازمان‌های خمیده [6] و یا در ساختن کُنش‌های مؤثر انرژی پایین در نظریه ریسمان دیده می‌شود .[7] در کیهان‌شناسی جهان‌لایه‌ای (که با نظریه ریسمان سازگار است) نیز فرض بر این است که ماده و میدان‌های پیمانه‌ای در یک لایه جایگزیده و درون یک فضازمان با ابعاد بالاتر محصور شده‌اند و میدان گرانشی می‌تواند در سرتاسر این فضازمان با ابعاد بالا منتشر شود. این‌ها دلایلی هستند که نیاز به بررسی گرانش در ابعاد بالا را مهم و بنیادی جلوه می‌دهند. در این راستا چارچوبی که برای بررسی گرانش در ابعاد بالا، از یک کُنش مؤثر کلاسیکی، انتخاب می‌کنیم چارچوبی‌ست که فرضیات اینشتین در نسبیت عام را نگه دارد و در عین حال در ابعاد بالا در انرژی‌های پایین نظریه اَبریسمان سازگار باشد. چنین چارچوبی مدل گرانش لاولاک است [8,9]. از آن‌جایی که تنها کُنش‌های مؤثری که شامل جملات مراتب بالا از مشتقات مرتبه دوم متریک هستند بدون شبح می‌باشند [10]، و گرانش لاولاک از چنین خاصیتی برخوردار است، بنابراین مناسب‌ترین کُنش برای برای بررسی گرانش در ابعاد بالا به نظر می‌رسد. در نتیجه به نظر لازم می‌آید که اثرات خمش مراتب بالا را در ویژگی‌ها و ترمودینامیکِ جواب‌های سیاه‌چاله‌ای بررسی نماییم. در این پایان‌نامه گرانش لاولاک را تا چهار جمله اول بررسی می‌کنیم که آن را تحتِ عنوانِ گرانش لاولاک مرتبه سوم ارجاع می‌دهیم (اولین جمله در کُنش لاولاک با شماره‌ی صفر مشخص می‌شود). از سوی دیگر در حد انرژیهای پایین نظریههای ریسمان کُنشی غیرخطی از نوع کُنش بورن-اینفلد ظاهر میشود [11-14]. در این کُنش یک لاگرانژی جدید به جای لاگرانژی ماکسول قرار میگیرد که مشکل نامتناهی شدن خود انرژی ذراتِ باردار نقطهای را، به صورت کلاسیکی، حل میکند[15]. این کُنش می‌تواند به عنوان تصحیحات ریسمانی بر روی نظریه ماکسول در نظر گرفته شود. بنابراین طبیعی به نظر می‌رسد که، با توجه به مطالب گفته شده، به دنبال جواب‌های سیاه‌چاله‌ای و همچنین لا‌یه‌های سیاه در ابعاد بالا باشیم. هنوز فهم دقیق و کاملی در مورد ارتباط بین چارچوبهای نظریِ گرانشِ خمش مراتب بالا، نظریه ریسمان، فیزیکِ سیاهچالهها، و مفهومِ ابعاد بالاتر از 1+3 بُعد بدست نیامده است و به همین دلیل تاکنون گرانش لاولاک نقش یک آزمایشگاه را برای فیزیکدانان در ابعاد بالا داشته است. سیاه‌چاله‌ها و لایه‌های سیاه در ابعاد بالا نقطه برخورد مفاهیمی هم‌چون خمش مراتبِ بالا، گرانش کوانتومی، ابعاد بالا و ترمودینامیکِ اُفق‌شان هستند و از این حیث پیدا کردن چنین جواب‌هایی ضروری می‌باشد. بنابراین انگیزه‌ای علمی ایجاد می‌شود که سیاه‌چاله‌ها و لایه‌های سیاه مربوط به گرانش خمش مراتب بالا، در حضور یک دینامیک غیرخطی برای میدان‌های الکترومغناطیسی، پیدا و بررسی شوند. تاکنون گرانش لاولاک مرتبه سوم فقط در حضور دینامیک غیرخطی بورن-اینفلد برای میدانهای الکترومغناطیسی مورد بررسی قرار گرفته است [16]. هدف این تحقیق پیدا کردن جواب‌های گرانش مرتبه سوم در حضورِ کلاس‌های نمائی و لگاریتمی از نظریه الکترودینامیک غیرخطی (به عنوان کُنش‌های بورن-اینفلد گونه) و بررسی ترمودینامیک اُفق جواب‌ها است.
در این راستا چنین طرحی برای ساختار پایان‌نامه در نظر گرفته‌ایم:
ابتدا در فصل دوم نظریه نسبیت عام اینشتین را با تأکید بر روی بُعد چهارم زمان مرور می‌کنیم و به بررسی اصول و مهم‌ترین نتایج این نظریه می‌پردازیم. در این بین، مفاهیمی را که برای بحث در ابعاد بالا به آن‌ها نیازمندیم ابتدا در حوزه نسبیت عام مطرح می‌کنیم، بنابراین تعمیم آنها به ابعاد بالا سرراستتر خواهد بود. در ادامه گرانش لاولاک مرتبه سوم را، به عنوان امتداد استاندارد نظریه نسبیت عام به ابعاد بالا، معرفی می‌کنیم.
در فصل سوم به مطالعه‌ی نظریه الکترودینامیک غیرخطی به عنوان تعمیمی از نظریه ماکسول می‌پردازیم. در این بین دو انگیزه‌ی مهم نظری وجود دارد: رفع مشکل نامتناهی شدن خودانرژی بارهای نقطه‌ای در نظریه ماکسول و پیروی کردن میدان‌های الکترومغناطیسی در جهان‌حجم‌های -لایه‌ها از یک دینامیک غیرخطی برای میدان‌های الکترومغناطیسی، نظیر الکترودینامیکِ شبه بورن-اینفلد. در ادامه مشکل نظری معادلات ماکسول و ناسازگاری درونی نظریه را خاطر نشان می‌سازیم و به معرفی نظریه الکترودینامیک غیرخطی، به منظور رفع این ناسازگاری می‌پردازیم. در پایان با به دست آوردن میدان‌های الکتروستاتیکی مقایسه‌هایی بین کلاس‌های نمائی، لگاریتمی و بورن-اینفلد انجام می‌دهیم و سپس ایده‌ی اصل برهم‌نهی غیرخطی برای میدان‌ها را، با توجه به معادلات موج نظریه، ارائه می‌دهیم.
در فصل چهارم نیز به منظور ورود به بحث ترمودینامیک سیاه‌چاله‌ها ابتدا به بیان قوانین مرسوم ترمودینامیک برای سیستم‌ها در طبیعت می‌پردازیم. سپس در تناظر با قوانین ترمودینامیک مرسوم، قوانین ترمودینامیک مربوط به سیاه‌چاله‌ها را مرور می‌کنیم و سپس این بحث را به سیاه‌چاله‌های ابعاد بالا می‌کشانیم.
در فصل پنجم، که مهم‌ترین فصل این تحقیق محسوب می‌شود، با توجه به انگیزه‌های گفته شده جواب‌های سیاه‌چاله‌ها و لایه‌های سیاه گرانش لاولاک را در حضور دو کلاس نمائی و لگاریتمی از نظریه الکترودینامیک غیرخطی را پیدا می‌کنیم. سپس جواب‌ها را به تمام ابعاد گسترش می‌دهیم. در این بین شاهد خصوصیات جدیدی از گرانش خمش مراتب بالا خواهیم بود که نظیر آن در گرانش اینشتین دیده نمی‌شود. در ادامه به بررسی ترمودینامیک و محاسبه کمیت‌های پایای ترمودینامیکی برای جواب‌ها خواهیم پرداخت. در انتها نیز تحلیلی از پایداری ترمودینامیکی سیاه‌چالهها و لایههای سیاه ارائه خواهیم داد.
در نهایت فصل ششم را با جمع‌بندی نتایج و مرور کار انجام شده و ارائه چند طرح پیشنهادی به پایان می‌رسانیم.

فصل دومگرانش در ابعاد بالاابتدا در بخش اول، نظریهی نسبیت عامِ اینشتین را به عنوان چارچوبی که در آن به مفاهیمی چون فضا، زمان و گرانش میاندیشیم مرور میکنیم. در این نظریه زمان به منزلهی بُعد چهارم، به عنوان یک اِلزام و نه یک فرض، در نظر گرفته میشود. سپس به مطالعهی مهمترین رئوس نظریه نسبیت عام و مفاهیم استخراج شده از آن میپردازیم. در ادامه گرانش لاولاک که گسترش استاندارد نظریه نسبیت عام به ابعاد بالا است را با توجه به انگیزه‌های گفته شده در فصل مقدمه معرفی می‌کنیم.
2-1 بُعد چهارم و نظریه نسبیت عام اینشتیندر یک دستگاه مختصات متعامدِ تختِ دو بُعدی، عنصر ناوردای فاصله بینهایت کوچک توسط رابطهی فیثاغورث تعیین میشود. گسترش این رابطه به یک دستگاه مختصات متعامدِ تخت سه بُعدی به رابطهی ناوردای میانجامد. از لحاظ منطق ریاضیاتی میتوان این گسترشِ مختصاتِ متعامدِ تخت را همچنان ادامه داد. به این دستگاههای مختصاتی، چارچوبهای دکارتی میگوئیم. یک چارچوب دکارتی 3 بُعدی، که آن را با نشان می‌دهیم، میتواند موقعیت و فاصلهی تمام اجسام در فضای فیزیکی را تعیین کند. میتوان مختصهی چهارمی، تحت عنوانِ زمان، به چارچوب دکارتی 3 بُعدی اضافه کرد که موقعیت و فاصلهی اجسام را در فضا و زمانِ فیزیکی نمایش دهد. در این چارچوب 1+3 مختصهای دو جسم میتوانند در یک مکان باشند ولی در زمانهای متفاوت؛ و در یک زمان میتوان دو جسم در مکانهای متفاوت داشت. در این چارچوب، صفحاتِ زمان ثابت، فضای فیزیکی را به صورتِ صفحاتی تخت لایهبندی میکند (شکل 1-1). این ترسیم تفکر نیوتنی از فضا و زمانِ مطلق است. در نظریه نیوتنی دو رویداد میتوانند، به طرز کاملاً خوشتعریف و بدون ابهامی، همزمان رخ دهند؛ یعنی فرضِ همزمانی مطلق. در آن تعیین زمان مستقل از انتخاب فضای مرجع است، یعنی برای هر دو چارچوبِ دکارتی لختی گذر زمان یکسان است و این مبنایی نظری برای تبدیل گالیلهای است. برای انجام یک تحلیل همزمانی بین دو رویداد باید تأخیر زمانی در رسیدن اطلاعات به ناظر نیز لحاظ شود. چنین الزامی ناشی از وجود یک ثابت جهانی برای سرعت انتشار نور است. اینشتین این تحلیل را ابتدا با معرفی اصل ثابت بودن سرعت نور در تمام چارچوبهای لخت ارائه داد: "اصلِ ثابت بودن سرعت نور : نور همیشه در فضای تهی با یک سرعت ثابت c منتشر میشود که مستقل از چگونگی حرکت جسمِ تابشکننده است. این قانون پیامد طبیعی داشتن یک نظریه برای پدیدههای الکترومغناطیسی به شکل کنونیاش است. قوانین باید طوری اصلاح شوند که تأخیر در رسیدن اطلاعات در نظریه لحاظ شده باشد". با تحلیل مسئلهی همزمانی، و با توجه به این واقعیت تجربی که سرعت نور یک ثابت جهانیست، میتوان دریافت که حتی یک مورد همزمانی مطلق برای ناظرهای لخت مختلف نمیتوان یافت. این پیامدی اساسی از ثابتِ جهانی بودنِ سرعتِ نور است[17] . تنها چیزی که میتوان یافت یک تعریف قراردادی همزمانی رویدادها برای ناظریست که نسبت به دو رویداد ساکن است و همچنین از لحاظ موقعیت مکانی در فاصلهی یکسانی از دو رویداد قرار دارد. از آنجا که به دلیل عدم هرگونه هم‌زمانی مطلق هیچ تفکیک معقول عینی از پیوستار فضازمان به یک فضای 3 بُعدی به همراه یک بُعد زمانی وجود ندارد، قوانین طبیعت باید قابل قبولترین شکل خود را هنگامی اختیار کنند که به صورتِ
شکل 2-1 : شکل سمت چپ تقسیم فضای فیزیکی به صفحاتِ زمان ثابت در چارچوبِ 4 مختصهای فضا و زمان در نظریه نیوتن. یک نقطه در این چارچوب یک رویداد نامیده میشود و مسیر یک ذره در فضا و زمان توسط پیوستاری یک بُعدی از رویدادها، تحت عنوان جهانخط، مشخص میشود. شکل سمت راست لایه‌بندی فضازمان در نظریه نسبیت خاص را نشان میدهد.
قوانینی در پیوستار فضازمان بیان شوند. بنابراین دستگاه مختصات متعامد تخت 3 بُعدی را به پیوستار 1+3 بُعدی از فضازمان گسترش میدهیم. برای اینکه بتوانیم زمان را وارد عنصر دیفرانسیلی فاصله کنیم لازم است که از یک ثابت جهت برگرداندن اندازهگیریهای زمانی به مکانی استفاده کنیم. در واقع در طبیعت تنها یک ثابت جهانی برای سرعت وجود دارد که همان سرعت نور در شرایط خلأ است و همین ثابت است که منجر به تعریف یک فاصلهی ناوردا در پیوستار فضازمانی میشود. بنابراین برای عنصر ناوردای فاصلهی فضازمانی خواهیم داشت: . علامت منفی از این واقعیت ناشی میشود که سرعت نور در یک چارچوب مفروض کمیتی مثبت است. ضرایب مختصه‌های این عنصر ناوردای طول همان ضرایب متریک برای یک سطح شبه‌اقلیدسی هستند و آن را با نمادگذاری نمایش می‌دهیم. از آن‌جایی که طبق تعریف‌مان این عنصر طول در هر چارچوب لَختی ناورداست بنابراین از این ناوردایی در بین دو چارچوب، تبدیلات لورنتس به عنوان تنها تبدیلات خطی استخراج میشوند، و به تبع آن اثرات اتساع زمان و انقباض طول پیشبینی میشوند. تحت تبدیلات لورنتس، الکترودینامیک ماکسول در همهی چارچوبهای لخت دارای شکل یکسانی خواهد بود و برای اجسام متحرک باردار به جوابهای فیزیکی صحیحی میانجامد. در واقع این تبدیلات همارزی تمام دستگاههای مختصات لخت را نشان میدهد که تحت عنوان اصل نسبیت خاص شناخته میشود. اصل نسبیت خاص نتیجهی عدم آشکارسازی هرگونه ناهمارزی برای چارچوبهای لخت است [17]. همهی آنچه که گفته شد اساس نظریهی نسبیت خاص است که برای چارچوبهای لخت مختصاتی تدوین شده است، و بنابراین نظریهایست برای فضازمان 4-بُعدی تخت که تحت عنوانِ فضای مینکوفسکی شناخته میشود.
لایه‌بندی‌ای که نظریه نسبیت خاص برای فضازمان فیزیکی ارائه می‌دهد به صورت مخروط‌های نوری برای هر ناظر (یا رویداد) مفروضی در فضازمان است (شکل 1-1). بنابراین در نسبیت خاص (یا پیکربندی مینکوفسکی برای فضازمان) هیچ مفهوم خوش تعریفی برای دو رویدادِ جدا که در یک زمان اتفاق میاُفتند وجود نخواهد داشت. ولی چه دلیلی برای قبول چنین لایه‌بندی‌ای از فضازمان در دست داریم؟ تاکنون تمامی آزمایشات چنین ساختاری از فضازمان را در کره‌ی زمین تأیید کرده‌اند. فرض چنین ساختاری برای فضازمان فیزیکی بسیاری از مشکلاتِ فیزیک پیش‌نسبیتی را حل می‌کند. ولی مواردی وجود دارد که نشان می‌دهند چنین ساختاری از فضازمان (پیکربندی مینکوفسکی) فقط بخشی از واقعیت را تفسیر می‌کند و نمی‌تواند اثراتی ناشی از بازتاب فضازمان مانند "حرکت تقدیمی حضیض عطارد"، "خم شدن مسیر نور در مجاورت اجرام سنگین" و "انتقال به سرخ گرانشی" را توضیح دهد. پیکربندی مینکوفسکی از فضازمان معادل با هموردایی قوانین فیزیک برای تمامی ناظرهای چسبیده به چارچوب لخت است. در این‌جا می‌توان پرسید یک ناظر غیرلخت فضازمان را چگونه لایه‌بندی می‌کند یا قوانین فیزیک را به چه شکل می‌بیند؟ اگر هم‌ارزی همه دستگاه‌های مختصات را برای تدوین قوانین طبیعت به منزله‌ی یک اصل ارتقا دهیم به نظریه نسبیت عام دست می‌یابیم به شرط آن‌که قانون ثابت بودن سرعت نور، یا فرضیه‌ی وجود عینی متریک مینکوفسکی را، دست‌کم در نواحی بی‌نهایت کوچکی از فضای چهار بُعدی حفظ کنیم. در چنین تعمیمی از اصل نسبیت خاص به اصل هموردایی عام از اصلِ هم‌ارزی استفاده شده است. این اصل محصولِ واقعیتِ تجربی برابری جرم لختی و جرم گرانشی است. حد خطی بودن نسبت میان جرم‌های گرانشی و لختی چیزی نزدیک به یک در است (براساس آزمایشات دیکه در 1964 و براجینسکی در 1971) [19]. یعنی با دقت بسیار بالایی جرم گرانشی با جرم لختی برابر است. این یعنی وجود رابطه‌ای میان حرکت‌های شتاب‌دار و میدان‌های گرانشی. معادل بودن این دو پدیده اینشتین را به سمت ایجاد یک اصل فیزیکی به نام اصل هم‌ارزی سوق داد. بیان اصل هم‌ارزی به صورت قوی: "در هر نقطه از فضازمان در یک میدان گرانشی می توان یک «دستگاه مختصات لخت موضعی» انتخاب کرد به طوری که در ناحیه به قدر کافی کوچک در اطراف آن نقطه قوانین فیزیکی به همان شکل قوانین در دستگاه مختصات بدون شتاب در غیاب گرانش باشند."
این اصل دلالت بر این دارد که یک «دستگاه مختصات جهانی» وجود ندارد و در هر نقطه در فضازمان چهار بُعدی می‌توان یک مجموعه چهار مختصه‌ی پیدا کرد که مبدأ آن در قرار داشته باشد و متریک به صورت موضعی لورنتسی باشد؛ یعنی . در این دستگاه مختصات لخت موضعی روابط زیر برقرارند:
(2-1-1)
این شرط از لحاظ ریاضی مطابق با وجودِ یک ناحیه‌ی شبه‌اقلیدسی (یا فضازمان مینکوفسکی) در هر ناحیه‌ی بسیار کوچکی از یک خمینه‌ی عام‌تر (خمینه‌ی ریمانی) است. بنابراین زبان ریاضیاتی مربوط به نظریه نسبیت عام زبان هندسه‌ی دیفرانسیل تانسوری خواهد بود. برای کاربرد‌های بعدی بهتر است تعریف دقیق‌تری از خمینه‌ها داشته باشیم. خمینه چیزی بیشتر از فضای پیوسته‌ای از نقاط که ممکن است به طور سرتاسری خمیده (دارای خمش) باشند، نیست. اما این خمینه‌ها به طور موضعی (یعنی در ناحیه محدودی از سطح‌شان) مانند صفحه در فضای تخت هستند. فرض می‌شود یک خمینه به دفعات مشتق‌پذیر است. خمینه یک سازهی ریاضی است که برای توصیف فضازمان به کار میرود، حال آنکه نظریه نسبیت خاص نوع ویژهای از فضازمان را در بر میگیرد، فضازمانی که نه خمشی دارد و در نتیجه نه گرانشی، بنابراین خمینهی مربوط به آن شبهاقلیدسی خواهد بود. بر طبق اصل هم‌ارزی در هر نقطه‌ای از فضازمان هر ناظری می‌تواند دستگاه مختصاتی را بیابد که متریک آن به صورت لورنتسی (مینکوفسکی) باشد، در مورد خمینه‌ها هم می‌توانیم بگوییم که در هر ناحیه‌ی کوچکی از خمینه می‌توان آن ناحیه را موضعاً اقلیدسی در نظر گرفت. متریک لورنتسی یک متریک شبه اقلیدسی است. این متریک در هر ناحیه از فضا – زمان موضعاً برقرار است که این خود ناشی از موضعی بودن نظریه نسبیت خاص در مقابل نظریه نسبیت عام است. به طور عام یک خمینه نمی‌تواند توسط یک سیستم مختصاتی یکتا و سرتاسری پوشانده شود. یعنی هیچ نگاشتی از کل خمینه به فضای وجود ندارد و مجبوریم خمینه را تکه تکه کنیم (یعنی به تکه‌های باز تقسیم کنیم). این بازه‌های باز را می‌نامیم و هر بازه می‌تواند به فضای تخت اقلیدسی نگاشته شود.

شکل 2-2 : دستگاه مختصات یک نگاشت از خمینه به فضای اقلیدسی است.
بر طبق تعریف در خمینه نگاشت‌های وجود دارد که یک ناحیه (بازه) باز در است. اگر یک نقطه در باشد بنابراین یک بردار در خواهد بود. چنین نگاشتی یک «دستگاه مختصات» نامیده می‌شود و ناحیه‌ی (بازه) مختصاتی است. یک دستگاه مختصات شامل مجموعه‌ای از نگاشت‌ها است. دستگاه مختصات نماینده‌ی نقاط در است که توسط علائم نمایش داده می‌شود. خمینه‌ها دارای این خاصیت هستند که ضرب مستقیم دو خمینه‌ی و با ابعادِ و یک خمینه با بُعد ، شامل جفت نقاط مرتب با و است. به طور کلی فرض می‌کنیم کلیه خمینه‌های مورد بحث، ریمانی هستند. خمینه‌‌های ریمانی دسته‌ای از خمینه‌ها هستند که برای توصیف فضازمان‌های نسبیت عامی از آنها استفاده می‌کنیم.
بنابراین با توجه به توضیحات داده شده متریک یک فضازمان عام ریمانی را می توان به صورت

شکل 2-3 : یک تبدیل مختصات بین دو مجموعه مختصات
6882491683385مشخص کرد که در آن مؤلفه های دستگاه مختصات و خمش فضا را تعیین می‌کنند. اطلاعات مربوط به یک فضازمان خمیده و چگونگی انحراف آن از رابطهی فیثاغورث در تانسور متریک کُدگذاری میشود. عناصر متریک دستگاه‌های مختصات عام توسط دستور به یکدیگر مربوط میشوند. به زبان خمینه‌ها اگر دو ناحیه و دارای فصل مشترک باشند که و به ترتیب دارای مختصه‌هایو هستند می‌توانیم یک تبدیل مختصات وارون‌پذیر به صورت در تعریف کنیم. آنگاه بیان ریاضی اصل نسبیت عام این میشود که دستگاه‌های معادلاتی که «قوانین عام طبیعت» را بیان می کنند در دستگاه‌های مختصات ریمانی یکسانند. قضاهایی که گفته شدند به هندسه ریمانی موسوم هستند و از این پس فرض می کنیم که فضاهای مورد بحث ریمانی (خمینه‌های ریمانی) هستند. با در نظر گرفتن وجود چنین لایه‌بندی‌ای برای فضازمانِ فیزیکی 1+3 بُعدی پدیده‌های "حرکت تقدیمی حضیض عطارد"، "انتقال به سرخ گرانشی" و "خم شدن مسیر نور در مجاورت اجرام سنگین و به تبع آن اتساع زمانی گرانشی" پیش‌بینی یا تفسیر می‌شوند. اثر اتساع زمانی گرانشی به ما می‌گوید که اجسام از مکان‌هایی که گذر زمان در آن‌جا سریع‌تر است به مکان‌هایی که گذر زمان کمتر است سقوط می‌کنند. فرض چنین ساختارِ هندسی برای فضازمان باید در حد میدان‌های گرانشی ضعیف به نظریه گرانشی نیوتن برسد. در این‌جا، با توجه به فرمالیزم ریاضیاتی به کار رفته شده، می‌توان اصلی با عنوان اصل تطابق تعریف کرد. مطابق این اصل داریم:
"در میدان‌های گرانشی ضعیف پیکربندی ریمانی فضازمان به یک پیکربندی مینکوفسکی میل می‌کند. در حد سرعت‌های پایین و میدان‌های گرانشی ضعیف نیز پیکربندی ریمانی فضازمان به یک پیکربندی اقلیدسی از فضا و زمان میل می‌کند."
معادله پواسون برای پتانسیل گرانشی نیوتن به صورت است که در آن توزیع جرم ماده است. در طرف چپ این معادله عملگر لاپلاسی، که تولید کننده‌ی مشتقات مرتبه دوم است، وجود دارد و در طرف راست اندازه‌ای از توزیع جرم. یک تعمیم نسبیت عامی از این معادله، با توجه به نوع لایه‌بندی ارائه شده توسط اصلِ هم‌ارزی و ورود بُعد زمان به عنصر ناوردای فاصله، باید ارتباطی از نوع تانسوری بین دو طرف این معادله برقرار کند تا در تمام چارچوب‌ها شکلی یکسان، مطابق با اصل هوردایی عام، داشته باشد. چنین تعمیمی توسط اینشتین در سال 1915 به صورت زیر ارائه شد [18]:
(2-1-1)
که همان ثابت عددی موسوم به ثابت گرانش اینشتین است. طرف چپ این رابطه تانسور اینشتین نام دارد و برآوردی از خمشِ فضازمان است، طرف راست موسوم به تانسور انرژی-تکانه نیز انرژی و تکانهی ماده و میدان را اندازه میگیرد که نقش چشمه گرانشی را بازی می‌کنند. معادلات میدان اینشتین توضیح می‌دهد که چطور خمشِ فضازمان به حضور تکانه-انرژی ماده و میدان واکنش نشان می‌دهد که در تطابق با فرم ضعیف اصلِ ماخ به صورتِ "توزیع ماده شکل هندسه را تعیین می‌کند" است. اصل ماخ در فرم قوی‌اش به صورت "ماده وجود هندسه را تعیین می‌کند، در صورت نبود ماده هندسه‌ای نیز وجود نخواهد داشت" با نسبیت عام سازگار نیست. به طور خلاصه می‌توان نظریه نسبیت عام را، مطابق با رهیافت اینشتین، از پنج اصلِ زیر به دست آورد:
فرم ضعیف اصل ماخ
اصل هم‌ارزی
اصل هموردایی عام
اصل تطابق
اصل جفت‌شدگی گرانشی کمینه
آخرین اصل، که توسط اینشتین به صورت ضمنی استفاده شد، بیان می‌کند که در تعمیم روابط نسبیت خاص به نسبیت عام نباید جملاتی که به صورت صریح شامل تانسور انحنای ریمان هستند به معادلات اضافه گردند.
2-2 نظریه میدان‌های کلاسیکی: فرمول‌بندی لاگرانژی میدان‌های گرانشیدر مکانیک کلاسیک کُنش به صورت تعریف می‌شود که در آن لاگرانژین سیستم است. کمینه کردن تابع با استفاده از حساب وردشی به اصل کمترین کُنش یا اصل هامیلتون منجر می‌شود. در مکانیک کلاسیک با تعریف اختلاف انرژی جنبشی و پتانسیل به عنوان لاگرانژین، برای یک ذره‌ی نقطه‌ای، قانون دوم نیوتن بدست می‌آید. نظریه میدان کلاسیکی بر اساس اصل کمترین کُنش تعریف می‌شود. تنها تفاوت در جابجا شدن مختصه‌های با یک مجموعه از میدان‌های وابسته به فضازمان ، است و در نتیجه کُنش نهایی تابعی از این میدان‌ها خواهد شد. در نظریه میدان‌ها، می‌توان لاگرانژین را به عنوانِ انتگرالِ فضایی یک چگالی لاگرانژی ، که تابعی‌ست از میدان‌های و مشتق‌های به صورت تعریف کرد و بنابراین کُنش، در گذار به یک فضازمان خمیده، یعنی یک پیکربندی ریمانی 1+3 بُعدی (خمینه‌ی )، به صورت زیر خواهد شد
(2-2-1)
که در آن اشاره بر دترمینان متریک فضازمان مورد نظر دارد. وقتی که یک گذار از نظریه نسبیت خاص به نسبیت عام انجام می‌دهیم متریک به میدانِ دینامیکی تانسوری تحول پیدا می‌کند [20]. با انتخاب یک میدان اسکالر به صورت و وردش کوچک روی ها به معادلات میدان اینشتین در فضای تهی، با فرض بی‌نهایت بودن امتداد فضازمان (معادل با فرض بی‌نهایت بودنِ خمینه‌ی )، دست پیدا می‌کنیم:
(2-2-2)
به این جمله کُنش اینشتین-هیلبرت گفته میشود. می‌توان معادلات عام‌تر میدان گرانشی اینشتین را، با احتساب ثابت کیهان‌شناسی و در حضور یک توزیع پیوسته ماده باردار و برهم‌کُنش آن با میدان‌های الکترومغناطیسی و گرانشی، یک‌جا با تعریف کُنش عام به صورت
(2-2-3)
به دست آورد که آثار ماده و میدان در جمله‌ی کُنش توسط کُنش ماده‌ی لحاظ شده است. تانسور انرژی-تکانه نیز از وردش و مرتب کردن آن مطابق رابطه‌ی
(2-2-4)
به دست می‌آید [19].
2-3 کُنشِ مرزی نظریه نسبیت عامبا وردش دادنِ کُنش (2-2-3) نسبت به تانسور متریک، برای یک فضازمان متناهی، عبارت خوشتعریفی به دست نمیآید. در واقع جملاتی مربوط به مرز فضازمان در معادلات میدان نهایی ظاهر میشوند. بنابراین برای یک فضازمان متناهی، متناظر با پیکربندی ریمانی با مرزِ ، کُنش اینشتین-هیلبرت بنیادی‌ترین کُنش محسوب نمی‌شود. زیرا در وردش این کُنش نسبت به تانسور متریک در یک فضازمان دارای مرز جمله‌ای دارای انتگرال سطحی که شامل مشتق نرمالِ است ظاهر می‌شود که فقط در بی‌نهایت تأثیر این جمله‌ی سطحی از بین می‌رود. بنابراین برای خوش تعریف کردن کُنش، باید یک انتگرال مرزی به کُنش حجمی اضافه کنیم تا معادلات میدان گرانشی اینشتین به دست آید. این جمله اثری در معادلات میدان عام گرانشی ایجاد نمی‌کند و تابعی از هندسه‌ی مرزی فضازمان است. این جمله اولین بار توسط گیبونز و هاوکینگ به صورت زیر ارائه شد[21] :
(2-3-1)
که در آن دترمینان متریک مرزِاست و ردِ انحنای خارجی مرز می‌باشد. بنابراین این کُنش مرزی در کنار جمله‌ی کُنش اینشتین-هیلبرت، در فضازمان‌های دارای مرز متناهی، معادلات میدان اینشتین را به دست می‌دهد.
2-4 ایزومتری و میدان‌های برداری کیلینگیک خمینه (که توصیف ریاضی‌وار فضازمان نسبیت عامی است) دارای یک تقارن است اگر هندسه آن تحت یک تبدیل مشخص –که خمینه را به خودش می‌نگارد– یکسان باقی بماند. این یعنی وقتی از نقطه‌ای به نقطه‌ی دیگر می‌رویم متریک تغییری نکند. چنین تقارن‌هایی در متریک را ایزومتری می‌نامیم. مستقل بودن مؤلفه‌های متریک از یک یا چند مختصه شرط وجود داشتن ایزومتری را تضمین می‌کند (ولی عکس این مطلب صحیح نیست). بنابراین یک فضازمان می‌تواند دارای تقارن باشد. برای مثال اگر در یک دستگاه مختصات (مثلاً در کاربردهای کیهان‌شناسی) مؤلفه‌های متریک مستقل از زمان باشند می‌گوییم که فضازمان دارای تقارن زمان گونه است و پایا است. به یک متریک ناوردای شکل می‌گویند هر گاه تحت تبدیل مختصات ، متریک تبدیل یافته‌ی دارای شکل یکسانی، از لحاظ وابستگی به شناسه‌هایش ، نسبت به متریک اولیه‌اش باشد، که برای تمامیها به صورت
(2-4-1)
نشان می‌دهیم. مؤلفه‌های متریک توسط روابط
(2-4-2)

تبدیل می‌شوند. در صورت معتبر بودن دستور (2-4-1) می‌توانیم را با عوض کنیم و خواهیم داشت:
(2-4-3)
هر تبدیل مختصات که شرط (2-4-3) را برقرار نماید، یک ایزومتری نامیده می‌شود. حال برای به دست آوردن شرطی برای وجود ایزومتری‌ها می‌توانیم ایزومتری‌های بی‌نهایت کوچک را در نظر بگیریم که برای آنها حرکت نقاط کوچک هستند. با تغییر مختصات بی نهایت کوچک
(2-4-4)
و با قراردادن آن در دستور (2-4-3) تا مرتبه‌ی اول بر حسب رابطه‌ی زیر را، به شکل هموردا، به دست خواهیم آورد
(2-4-5)
ها را بردارهای کیلینگ می نامیم. دستور (2-4-5) معادله‌ی کیلینگ خوانده می‌شود و هر میدان برداری که در این معادله صدق کند بردارهای کیلینگ نامیده می‌شود [19]. حال مسئله تعیین کردن تمام ایزومتری‌های بی نهایت کوچک به مسئله پیدا کردن بردارهای کیلینگ متریک تبدیل می‌شود. هر ترکیب خطی از بردارهای کیلینگ با ضرایب ثابت هنوز هم یک بردار کیلینگ است. هر بردار کیلینگی وجود یک کمیت پایسته مرتبط با خطوط ژئودزیک را تضمین می‌کند، این یعنی متریک در راستای بردار کیلینگ تغییر نمی‌کند.
2-5 جواب‌های نظریه نسبیت عامدر این بخش ابتدا به معرفی حلِ (آنتی)دوسیته در بُعد می‌پردازیم. در ادامه، با توجه به نوع قراردادی که در انتخاب یکاها اختیار کردیم، با استفاده از نرم‌افزار میپل تانسور اینشتین را در می‌نویسیم و سپس حل ایستای باردار بُعدی معادلات میدان اینشتین را برای کاربردهای بعدی می‌یابیم.
2-5-1 فضازمانِ آنتی دوسیته در بُعددر اینجا برای کاربردهای بعدی فضازمان (آنتی)دوسیته را معرفی می‌کنیم. این متریک را دوسیته در سال 1917 در رابطه با کیهان‌شناخت کشف کرد و فرم بُعدی آن به صورت
(2-5-1)
است که در آن نوع هندسه مرز را مشخص میکند. فضاهای هندسی (آنتی) دوسیته یا حل معادلات میدان تهی اینشتین با ثابت کیهانشناسی هستند که تعداد ابعاد فضازمان است و هم شعاع انحنای این فضا است. فضای توسط فرم درجه دو
(2-5-2)
تعریف می شودکه دریک فضای بامتریک
(2-5-3)
غوطه ور است. یک فضای تخت شبه اقلیدسی است که دارای دو مؤلفه ی زمانی و مؤلفهی فضایی است. این فضا را می توان با اضافه کردن یک مؤلفه ی زمانی به (فضای مینکوفسکی بُعدی با مؤلفهی فضایی و یک مؤلفهی زمانی) بدست آورد یعنی. پس به صورت

تعریف می شود. فضای دارای توپولوژی میباشد. این فضا دارای گروه تقارنی است. این متریک یک حل دقیق معادلات میدان اینشتین در دنیای تهی با ثابت کیهانشناسی مثبت است. می‌بینیم که در اینجا فضای دوسیته جانشین فضای مینکوفسکی در دنیای تهی می‌شود، اسکالر ریچی ثابت و برابر ِ است. هر فضا با (اسکالر ریچی ثابت و منفی) را فضای آنتی دوسیته می‌نامیم.
2-5-2 حل استاتیک باردار بُعدی معادلات میدان اینشتین در حضور ثابت کیهان‌شناسی با نوشتن معادلات میدان اینشتین در بُعد در حضور میدان‌های الکترومغناطیسی و حل کردن این معادلات به جواب زیر دست پیدا می‌کنیم
(2-5-4)
که در آن ، که نوع تقارن به کار رفته در فضازمان را مشخص میکند، متریکِ یک اَبَرسطح بُعدی با خمشِ ثابتِ مثبت، منفی و یا صفر با حجمِ میباشد. تابع متریکِ به صورت زیر است
(2-5-5)
که در آن ثابت کیهان‌شناسی در هر بُعد دلخواه به صورتِ تعریف می‌شود. واضح است که این متریک در حد مجانباً (آنتی)دوسیته است. جواب‌های گرانش مشتقات بالا در حد میدان‌های ضعیف در هر بُعدی باید به این جواب میل کنند. بنابراین این جواب معیاری از درستی جواب‌هایمان در نظریه‌های گرانشی مشتقات بالا خواهد بود.
2-6 گرانش لاولاک: گسترش استاندارد نسبیت عام به ابعاد بالاتانسور گرانشی اینشتین () به همراه یک جملهی کیهانشناسی() ، در هر بُعد، تنها تانسور متقارن و پایستهای () است که میتوان از مشتقاتِ مرتبهی اول و دوم متریک تشکیل داد به طوری که این تانسور نسبت به مشتقاتِ مرتبه دومِ متریک خطی باشد[22,23]. اینشتین رابطه تانسوری را به عنوان معادلاتِ عامِ تعیین کنندهی میدانِ گرانشی معرفی کرد که در آن ثابت گرانش اینشتین است. بنا به فرضهای اینشتین، طرف چپ معادله چنین خواصی دارد:
الف) تانسور سمت چپ این معادله (–موسوم به تانسور اینشتین) به مشتقهای مرتبه اول و دوم ِمتریکِ فضا-زمان محدود میشود.
ب) تانسور اینشتین باید نسبت به مشتقهای مرتبه دوم خطی باشد، یعنی جملات مربعی میتوانند فقط از ترکیب دو مشتقِ مرتبه اولِ متریک تشکیل شوند.
ج) همچنین به دلیل قانون بقای انرژی-تکانه (که سمت راستِ معادلات میدان به طرف چپ تحمیل میکند) دیورژانس باید همواره صفر شود.
د) باید متقارن باشد (این تقارن را نیز سمت راست معادلات میدان به طرف چپ تحمیل میکند).
با این مفروضات تانسور به شکل بهدست میآید. بهطور کلی پذیرفتن کامل این فرضیاتِ اینشتین بحثبرانگیز است. اینشتین دو شرط اول را بهطور طبیعی از معادلهی پواسون استخراج کرده است (یعنی وقتی میخواهیم در تقریب مرتبه اول از معادلات میدان اینشتین به معادلات کلاسیکی نیوتن برسیم معادله پواسون ظاهر میشود). به دلایل نظری، در صورت نپذیرفتن کامل فرضهای اعمالی اینشتین بر روی تانسورِ میتوان نظریه را طوری تغییر داد که جملات دیگری در طرف چپ این معادلهی تانسوری ظاهر شود. در این صورت به معادلاتی دست پیدا میکنیم که در حالتهای حدی، بسته به نوع تغییری که بر فرضهای اولیه اعمال میکنیم، به معادلات میدان اینشتین کاهش پیدا میکنند. به چنین نظریههایی، نظریههای گرانشیِ "تعمیم یافته یا اصلاح شده" گفته میشود. نظریههای گرانشی و تئوری لاولاک نمونهای از این نظریههای گرانشی اصلاح شده هستند. کُنش ارائه شده برای این نظریهها کلیتر و پیچیدهتر از کُنش اینشتین-هیلبرت است و طبیعتاً جوابهای معادلاتِ میدان جدید نیز پیچیدهتر از جوابهای معادلات میدان اینشتین خواهد بود. در بین سالهای 72-1970 لاولاک، طی یک دورهی تحقیقاتی، شرط وابستگی خطی تانسور اینشتین به مشتقات مرتبهی دوم (شرطِ ب) را کنار گذاشت و عامترین تانسور اینشتین را –که دیگر شرایط را ایجاب کند- یافت [8,9]. خصوصیت مهم لاگرانژی لاولاک این است که این لاگرانژی نسبت به تانسور ریمان غیرخطی است و تفاوتِ معادلاتِ میدانِ ناشی از این لاگرانژی لاولاک با معادلاتِ میدانِ اینشتین تنها در فضا-زمانهای بالاتر از 4 بُعد مشخص میشود، یعنی در 4 بُعد جوابهای معادلاتِ میدانِ لاولاک به جوابهای گرانشِ اینشتین کاهش پیدا میکنند. بنابراین با وضعیتی روبرو هستیم که میتوان آن را طبیعیترین تعمیمِ نسبیت عام به ابعاد بالاتر دانست [22]. همان‌طور که در مقدمه گفته شد اینکه ممکن است فضا-زمان ابعادی بالاتر از 1+3 بُعد داشته باشد به نظریههای میدان وحدت یافته و یا حتی به عنوان شرطی اجباری در نظریه ریسمان، برمیگردد. روش لاولاک یک فرمالیزم ریاضیاتی‌ست که با انجام روند تکرار طی یک دستورالعمل منجر به ساخت لاگرانژی لاولاک، مطابق با فرضیات اینشتین، در ابعاد دلخواه می‌شود. بنابراین تمام اصولی که برای رسیدن به نظریه نسبیت عام باید لحاظ شوند در این‌جا نیز به قوت خود باقی می‌مانند. بنابراین نسبیت عام حالت حدی گرانش لاولاک در 1+3 بُعد و هم‌چنین حد میدان‌های گرانشی ضعیف است. در این‌جا از آوردن روش لاولاک خودداری می‌کنیم (برای جزئیات بیشتر به [8] مراجعه شود). لاگرانژی لاولاک به صورت
(2-6-1)
نوشته میشود، که در آن بُعد فضازمان را مشخص میکند و یک ثابت اختیاری است که دارای ابعاد میباشد و بر طبق نتیجهای که از نظریه ریسمان به دست میآید این ضرایب باید مثبت باشند [60]. علامت اشاره به قسمتِ جزء صحیحِ حدِ بالای علامتِ مجموع دارد. به شکل
(2-6-2)
است که در آن تانسور انحنای ریمان در بُعد و دلتای کرونکر پادمتقارنِ تعمیم یافته، به صورتِ است. به ازای خواهیم داشت ، که با احتساب یک ثابت مناسب در لاگرانژی نهایی یک جملهی کیهانشناسی در معادلات میدان حاصل میگردد. به ازای خواهیم داشت ، که همان لاگرانژین اینشتین-هیلبرت است. به ازای، جملات مرتبه دوم تئوری لاولاک حاصل میشود که، وقتی مطالعات محدود به مرتبه دوم گرانش لاولاک باشند، به گرانش گاوس-بونه معروف است. لاگرانژی گاوس-بونه به صورت زیر معرفی میشود
(2-6-3)
تأثیراتِ گرانش گاوس-بونه (جملات مرتبه دومِ گرانش لاولاک) در فضازمانهای 1+4 بُعد به بالا ظاهر میشود. به ازای جملاتِ مرتبه سومِ تئوری لاولاک حاصل میشود که به صورت زیر است
(2-6-4)
تأثیرات این جملات در فضا-زمانهای 1+6 بُعد به بالا ظاهر میشود، و با ترکیب کردن این جمله مرتبه سوم با جملات قبلی، معادلات میدان اینشتین بسیار پیچیدهتر از قبل خواهند شد. در این تحقیق گرانش لاولاک را تا چهار جمله‌ی اول (با احتساب ثابت کیهان‌شناسی) مورد بررسی قرار می‌دهیم و جواب‌های معادلات میدان این گرانش را در ابعاد دلخواه، در حضور میدان‌های الکترومغناطیسی غیرخطی، به دست می‌آوریم. جوابهای گرانش لاولاک مرتبه سوم در حضور یک تانسور انرژی-تکانه دارای خصوصیاتی است که در گرانش اینشتین و گرانش گاوس-بونه مشاهده نمیشود. این خصوصیات در فصل پنجم بررسی میشوند. در یک فضازمان تهی وردش کُنش لاولاک تا مرتبه سوم منجر به تولید معادلاتِ میدانِ تهی لاولاک به صورتِ
(2-6-5)
می‌شود که در آن همان تانسور اینشتین است، و و به ترتیب تانسورهای مرتبه دوم و سوم لاولاک هستند و به صورت زیر به دست می‌آیند
(2-6-8)

2-7 کُنش مرزی در گرانش لاولاک مرتبه سومبا توجه به توضیحات مربوط به گرانش لاولاک کُنش گرانشی لاولاک به صورت زیر نوشته می‌شود
(2-7-1)
و همان‌طور که دیده می‌شود این کُنش در یک فضازمان بُعدی نوشته می‌شود. همان‌طور که برای فضازمان‌های 1+3 بُعدی در نظریه نسبیت عام توانستیم یک مرز نسبت دهیم، و با اضافه کردن یک جمله مرزی در کُنش معادلات میدان اینشتین را تولید کنیم، در این‌جا نیز به کُنش لاولاک می‌توان یک جمله‌ی مرزی اضافه کرد بدون این‌که تأثیری در معادلات میدان لاولاک ایجاد شود. وظیفه‌ی این کُنش مرزی این‌ست که برای خمینه‌های متناهی جمله‌ای متناسب با انتگرال سطحی که شامل مشتق نرمالِ است و در وردش کُنش لاولاک ایجاد می‌شود را حذف نماید. یعنی ایده‌ی گیبونز-هاوکینگ را به گرانش مشتقات بالا گسترش دهیم. این جمله اثری در معادلات میدان عام گرانشی لاولاک ایجاد نمی‌کند و تابعی از هندسه‌ی مرزی فضازمان است. بنابراین برای خوش‌تعریف کردن کُنش باید جملاتی مرزی متناظر با جملات مرتبه دوم و سوم لاولاک به کُنش اولیه اضافه گردند. جمله‌ی مرزی کُنش در گرانش لاولاک مرتبه سوم شکل پیچیده‌ای دارد و به صورت زیر می‌باشد [26]
(2-7-2)
که در آن دترمینان متریک مرزِاست و ردِ انحنای خارجی مرز می‌باشد. در رابطه‌ی بالا جمله‌ی اول در براکت همان جمله‌ی گیبونز-هاوکینگ و دو جمله‌ی دیگر به ترتیب مربوط به جملات مرتبه دوم و سوم کُنش لاولاک هستند. کمیت‌های و نیز به صورت زیر تعریف می‌شوند
(2-7-3)

در این روابط و به ترتیب تانسورهای بُعدی اینشتین و لاولاک مرتبه دوم برای متریک مرزِ هستند. و نیز معرف ردِ عبارت‌های زیر می‌باشند
(2-7-4)

2-8 روش کانترترم و رفع واگرایی در محاسبه کمیت‌های پایادر کُنش‌های گرانشی (2-2-3) و (2-7-1) معرفی شده برای هر دو گرانش اینشتین و لاولاک (به همراه جمله‌ی مرزی کُنش) یک مشکل اساسی وجود دارد: این کُنش‌ها برای فضازمان‌هایی که رفتار مجانبی تخت یا دارند بی‌نهایت می‌شوند. هم‌چنین در محاسبه کمیت‌های پایا از قبیل جرم به مشکل بر می‌خوریم و برای فضازمان جرمی معادل بی‌نهایت می‌یابیم. در مرجع [24] واگرایی‌های کُنش گرانشی برای فضازمان‌های مجانباً تخت و مجانباً بررسی شده است. برای رفع این واگرایی‌ها از تکنیکی موسوم به روش کانترترم استفاده می‌شود. در این روش جمله‌ای به کُنش اصلی اضافه می‌گردد که وظیفه آن حذف واگرایی‌هاست. در نتیجه با داشتن جمله‌ی کانترترم در کُنش نهایی، واگرایی‌ها از بین می‌روند و بیان‌های خوش‌تعریفی برای تانسور انرژی-تکانه و کُنشِ گرانشی خواهیم داشت. جمله‌ی کانترترم باید به صورتی باشد که تحت تبدیلات مختصات ناوردا باشد و در معادلاتِ حرکتِ ناشی از کُنشِ حجمی تأثیری نگذارد. پس باید تابعی از هندسه‌ی مرز فضازمان باشد که در تقارن‌ها و معادلات میدان حجم تأثیری نگذارد. در نتیجه جمله‌ی کانترترم فقط تابعی از ناورداهای انحنای مرز به صورت زیر خواهد بود
(2-8-1)
از روی این کُنش دیده می‌شود که ساختِ کانترترم برای فضازمان‌های مجانباً یکتاست. زیرا در آن فقط مقیاس انحنای مطابق رابطه‌ی (2-8-1) دیده می‌شود. در نتیجه با یک بار ساختن آن، می‌توان آن را برای تمام فضازمان‌های مجانباً و هم‌چنین در تمام دستگاه‌های مختصات به کار برد. در این تحقیق چون به بررسی فضازمان‌های مجانباً نیز علاقه‌مند هستیم از جمله‌ی کانترترم نیز در کنار کُنش اصلی برای این فضازمان‌ها استفاده می‌کنیم. کُنش اصلی در این تحقیق، کُنش لاولاک به علاوه‌ی کُنش مرزی‌ست. با توجه به این‌که تاکنون روش کانترترم برای گرانش لاولاک ابداع نشده است ولی می‌توان برای فضازمان‌های با مرزِ تخت، مطابق رابطه (2-8-1) کانترترم مناسب را پیدا کرد. برای فضازمان‌های با مرزِ تخت، انحنای مرز است، و می‌توان نشان داد که برای گرانش‌های مختلف، از جمله گرانش اینشتین و لاولاک مرتبه سوم، کانترترم یکسانی به دست می‌آید که به صورتِ زیر می‌باشد
(2-8-2)
که در آن فاکتور مقیاس طول بوده و به مقیاس انحنای و ضرایب لاولاک بستگی دارد و در حالتِ خواهیم داشت . بنابراین کُنش نهایی محدود برای گرانش لاولاک مرتبه سوم با مرز تخت به صورت زیر خواهد بود
(2-8-3)
با توجه به تعریف ارائه شده توسط براون و یورک [25] برای تانسور انرژی-تکانه‌ی مرز داریم
(2-8-4)
که برای گرانش لاولاک مرتبه سوم به نتیجه‌ی زیر می‌رسیم
(2-8-5)
سه جمله‌ی اول در رابطه‌ی بالا نتیجه‌ی وردشِ کُنشِ مرزی نسبت به است و آخرین جمله نیز از وردشِ نسبت به به دست می‌آید. برای محاسبه کردن کمیت‌های پایای فضازمان، یک سطح فضاگونه در با متریکِ انتخاب می‌کنیم و متریک مرز را به فرم به صورت زیر می‌نویسیم
(2-8-6)
که در آن مختصه‌های متغیرهای زاویه‌ایِ پارامتریزه کننده‌ی ابرسطوحِ ثابت حولِ مبدأ هستند. هرگاه یک میدان برداری کیلینگِ روی مرز وجود داشته باشد، کمیت‌های پایای موضعی متناظر با تانسور انرژی-تکانه (رابطه‌ی) می‌تواند به صورت زیر نوشته شود
(2-8-7)
که در آن دترمینان متریک است، و بردار زمان‌گونه واحد عمود بر میباشد. برای فضازمان‌هایی با میدان‌های برداری کیلینگ زمان‌گونه‌ی و دورانیِ می‌توان جرم و تکانه‌ی زاویه‌ای را به صورت زیر به دست آورد
(2-8-8)